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Conception électronique et informatique d`un robot

1. Le deuxi me test consiste valuer le temps n cessaire entre le moment o la commande de vitesse change au niveau du TRGUIManagerAA et le moment o la nouvelle consigne de vitesse est re ue au bloc RobotInterfaceAA Le tableau 5 3 montre le temps de r action de l architecture suite un changement sur la commande de vitesse passage de 0 mm sec 250 mm sec sur dix essais La moyenne observ e du temps de r action est de 132 msec Les temps de r action moyen ne d passent donc pas 200 msec soit deux cycles de traitement Les variations sont dues au fait que l ensemble des blocs logiciels fonctionnent de fa on 60 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION TABLEAU 5 3 Temps de r action pour un changement de vitesse valeurs en msec Essais D lai 164 67 110 174 192 82 175 145 85 123 asynchrones Le dernier test de ce bloc consiste caract riser le temps entre la r ception d une commande de suivi d un trajet autonome GPP et le moment o le robot d bute son d placement Le d lai moyen observ est de 656 msec Le tableau 5 4 illustre galement le temps requis par l algorithme de recherche de trajet TRPathPlanner pour g n rer le trajet suivre Il est noter que le temps de recherche pour l algorithme de recherche de trajets 1 447 msec est n gligeable dans le r sultat C
2. Test Erreur odom trique Erreur de CARMEN X mm Y mm S X mm Y mm 1 57 5 34 3 851 13 5 8 0 149 2 52 27 4 566 17 14 0 566 3 54 5 53 5 5 675 3 5 8 5 0 325 4 33 5 25 6 239 8 5 7 0 239 5 47 44 5 5 395 29 19 5 1 395 6 37 5 42 4 457 12 5 17 0 457 7 53 5 21 5 4 239 20 5 19 5 2 239 8 6 13 1 655 13 12 0 655 9 26 5 63 5 7 803 24 5 21 5 0 803 10 35 5 30 4 021 11 5 6 0 021 Moyenne 40 35 35 4 4 790 15 35 13 3 0 685 Le dernier test r alis consiste valuer les erreurs de la localisation des vitesses plus basses Les r sultats pr sent s au tableau 4 5 montrent des erreurs plus grandes avec les vitesses plus faibles La pr cision des mesures des encodeurs de roues basse vitesse en est la cause 4 1 3 Syst me de balises infrarouges NorthStar Ce syst me est compos d un projecteur plac dans une zone couvrir et projetant des signaux infrarouges au plafond On place sur le robot un d tecteur capable d identifier les signaux infrarouges et le dispositif est en mesure de se rep rer dans la zone partir de ces signaux Comme le montre la figure 4 1 les signaux infrarouges doivent se trouver dans le champ de perception du d tecteur L tendue de la zone est fonction de la distance H entre le d tecteur et le plafond plus H est grand plus la zone couverte W est grande Le manufacturier recommande que le ratio W H soit inf rieur ou gal 1 4 pour avoir les performa
3. 59 5 3 2 Preuves de fonctionnement des comportements moteurs 61 5 3 3 Test de validation du suivi de trajet autonome 65 BIBLIOGRAPHIE 71 LISTE DES FIGURES Figure 2 1 Figure 2 2 Figure 2 3 Figure 2 4 Figure 2 5 Figure 2 6 Figure 2 7 Figure 2 8 Figure 2 9 Figure 2 10 Figure 2 11 Figure 2 12 Figure 2 13 Figure 2 14 Figure 3 1 Figure 3 2 Figure 3 3 Figure 3 4 Figure 3 5 Figure 3 6 Figure 3 7 Figure 3 8 Figure 4 1 Robot Nursebot en action 44 44 244 224 248448 RSA 4 Car amp O Bot AR EECH EEN 5 Robetdee ya eas Sn es or ash eros kerala ae leg he NES oR 6 H EE AB pote BD BE Te AE ee Se a Y 6 SE s Sone Poids ANR ed bo Pe EE 7 OCIA De Su Qs os Ge ae oes Ao Vie Se ae Se ea es Ba 8 CARCI AS teensy ee AS paya qp ee a Seco ee ee Seow 58 B 9 EE RE SESE S hun h Q s Ba 9 Robot Roomba images tir es du manuel d utilisation du robot 10 Sch ma de fonctionnement du syst me NorthStar 14 Diff rences au niveau des cartes 17 Exemple d une carte CARMEN 18 Cartographie g om trique E n e Mer ea ME er RS 18 Probl matique de la table 5 lt lt lt emcee ai ENN EE ne RE BR 20 Robots utilis s pour les tests domicile 22 Base du T l robot assembl e 8 a 2e 18 la dus 8 nas pus ae A 23 Sch ma de c blage pour l alimentation 26 Alimentation des diff rents modules ajout s su
4. 3 2 1 2 Robots de telepresence A Ae ave en ete ce a et EY a 7 2 129 Robot desService jan 2 s seen gi eee ous Ross Des 9 2 E EE 10 2 2 Navigation autonome AE e A BP ds aa de ee er e TE eS 13 2 2 1 M thodes de localisation 4224 48 de Go ea ee ea ee dise 13 2 2 2 M thodes de cartographie de l environnement et g n ration de trajectoire 16 2 2 3 D tection et vitement d obstacles 19 3 CONCEPTION LECTRONIQUE 21 3 1 Alimentation lectrique soc 2 seek Piette LS an RAR an s 24 3 2 Interface avec les capteurs er M ne e er ee Len RS le 27 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES 33 41 Localisation ay si bu d AE s Au U U SY goes es Bae Ye a TE 33 AP Localisateur CARMEN lit Re es 34 Ase e EECHER EE 34 4 1 3 Syst me de balises infrarouges NorthStar 40 4 2 Planification de trajectoire ose hoo EE AE e 43 Ace DISCUSSION 2 oS a a aq a nn EN a a ete eee De ee Dee RIES 47 TABLE DES MATI RES vi 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 49 5 1 Architecture d cisionnelle 4s ofa ett ean as EE EA A Ah 50 5 1 1 Module Comportements 4 4 462 EE Raed s Rass e 4 51 5 1 2 Module Ex cutif EE as e ane 53 5 2 Architecture logicielle eal alae ee a Se A ae ee ae a RY 55 5 3 Performances du syst me ES er re s e es es ES 59 5 3 1 Temps de r action de l architecture logicielle
5. rose AN 30q N Sng s m 5x ru ouwouoqne urouo3ne nes here ree ZU otwmouomy splog suotsuewig 9818499 UOIJESIARN s nbrequr s urg s s s p s nbiyeursojur s nbrjsttgqowreo SOJUOHEIP sop JUMSJY TZ AVATAVL 2 2 NAVIGATION AUTONOME 13 2 2 Navigation autonome Comme le montre le tableau 2 1 peu de plate formes robotique arrivent naviguer de mani re autonome Une telle capacit demande au robot d tre en mesure de se localiser dans l en vironnement d op ration et de naviguer avec l aide de cette repr sentation des lieux tout en vitant les obstacles se pr sentant sur son chemin 2 2 1 M thodes de localisation Les m thodes de localisation peuvent tre divis es en trois cat gories 10 relative absolue et mixte Les m thodes de localisation relative consistent prendre en consid ration l ensemble des d placements effectu s par la plate forme par rapport un point de d part Aucune r f rence l environnement ext rieur est utilis e pour la localisation Une technique possible est d uti liser des encodeurs de roues pour mesurer les d placements effectu s par odom trie Une difficult est qu une compensation doit tre effectu e lors des rotations de la plate forme car la roue ext rieure tourne alors plus que la roue int rieure Les roues peuvent aussi glisser ce qui vient fausser les lectures Une autre technique consiste ut
6. D tecte la pr sence d un obstacle l avant du robot Le robot diminue sa vitesse longitudinale lorsque l obstacle le plus pr s est une distance de 50 cm Il arr te compl tement quand l obstacle est 20 cm et moins Un algorithme lin aire est utilis 52 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION pour ralentir le robot entre ces deux valeurs limites Ce sont les mesures retourn es par le capteur laser qui sont utilis es par cet algorithme ce qui donne 120 chantillons espac s d un degr Le c ne r sultant couvre 60 par rapport l avant du robot Le choix de cette configuration est bas sur la pr cision des mesures qui sont utilis s par l application CARMEN pour fonctionner de fa on ad quate La figure montre l tendue de la zone couverte par le capteur laser FIGURE LASER ICI Avoid Back D tecte la pr sence d un obstacle l arri re du robot L id e d une zone o le robot ralentit est reprise sauf que la limite ext rieure est fix e a 30 cm Le comportement utilise les valeurs des capteurs infrarouges positionn s l arri re du robot 3 GP2D12 et 2 GP2D120 Ceux ci sont illustr s a la figure Le ralentissement du robot est calcul de la m me fa on que pour le comportement Avoid Front Teleop Envoi comme consigne les valeurs de vitesse re ues via les commandes de d place ment Le comportement permet galement de limiter les vitesses demand e
7. Le module BehaviorActivation regroupe les r gles d activation des comportements en fonc tion des informations obtenues de l interface utilisateur Commandes GUI et des autres modules de l Ex cutif Une commande de d placement longitudinal ou lat ral provenant de l interface utilisateur se traduit par l activation du comportement Teleop avec des consignes maximales de vitesse qui d pendent du mode d op ration courant normal ou PUSH Le comportement Goto est activ lorsqu il y a au moins un point d un trajet atteindre 5 2 ARCHITECTURE LOGICIELLE 99 Ex cutif Point atteint Goto Nouveau trajet I Activation des lanificateur de trajet p jet Navigate comportements Niveau de tension Commande moteur des batteries robot gt Survive P BehaviorActivation Vitesse maximale lin aire rotation Lonely gt Point X Y Th ta Commandes GUI gt atteindre gt Joystick t Figure 5 5 Sch ma bloc du module ex cutif et que le robot est localis de fa on absolue dans l environnement Une commande de sus pension via l interface utilisateur du mode de suivi de trajectoire autonome par le robot influence l ex cution de la trajectoire Goto Une requ te d arr t d urgence active le com portement d arr t Rest Les comportements Avoid Floor Avoid Front et Avoid Back sont activ
8. AO du robot se d terminent par tir de ces vitesses valu es sur une intervalle de temps dt correspondant au cycle de ra fra chissement des donn es 10 Hz Les quations 4 4 4 5 et 4 6 sont utilis es pour corriger Vestimation de position La pr sence de Ocycle est requise pour avoir une bonne pr cision lors de d placement en arc En ajoutant la moiti de Ocycle l orientation courante nous venons d ajouter une moyenne de d placement lors du cycle courant Autrement dit les estimations des valeurs X et Y sont alors plus pr cises car le robot c est d plac tout en avan ant Xk AL Veyctedt sin Ok Ocycte 2 4 4 Yeti Yeti Veyctedt cos Ox Ocycie 2 4 5 Oni Ok O coyciedt 4 6 Pour fins de comparaison des tests d odom trie furent effectu s sur un robot Pioneer 2 36 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES fabriqu par la compagnie Mobile Robots Inc et largement utilis dans les laboratoires de recherche en robotique Le premier test consiste a faire d placer le robot en ligne droite sur diff rentes distances 500 mm 1000 mm etc et de comparer les d placements r els du robot et la distance estim e par le robot Des s ries de dix tests furent r alis es pour ces distances et la moyenne et ainsi que la variance des erreurs sont valu es Le tableau 4 1 pr sente les r sultats obtenus pour le robot Pioneer 2 et le tableau pr sente les r sultats d
9. AZIMUT 2 permet de lire le niveau de 26 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE a Chassis AZIMUT 2 Cable de branchement Batt 1 age E one gt gt 24V AZIMUT 2 Batt 2 Interrupteur module 24V r al Base de propulsion boggie aar 1 P ae E gt 24V Ch ssis fo Interrupteur chassis E VE e D1 D2 Ch1 ch 2C 24V l Batt 1 gt Batt 2 ee Pee al e Alimentation externe au robot Figure 3 3 Sch ma de cablage pour l alimentation tension des batteries et de la source d alimentation externe pr cision 0 1 V le niveau de puissance instantan e pr cision au 0 1 W et de courant pr cision 1 mA La valeur de puis sance en par cons quent celle de courant est celle qui transite par le module d alimentation d AZIMUT 2 elle ne consid re pas le courant qui transite par la base de propulsion Toute fois de nouveaux modules ont du tre d velopp s pour les nouveaux l ments a int gr s au robot soient les sonars et les infrarouges le vid ophone la cam ra le localisateur NorthStar et le laser Un second syst me de gestion d alimentation sert donc alimenter ces nouveaux syst mes avec comme objectif de pouvoir faire des tests avec les syst mes ajout s sans avoir le module AZIMUT 2 mont sur la base de propulsion du T l robot Ce module est une copie conforme du module d AZIMUT 2 sauf que les informations au
10. Bisson F Michaud et D L tourneau Relative positioning of mobile robots using Y ultrasounds Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems pages 1783 1788 2003 Boissy H Corriveau F Michaud M P Royer et D Labont Exploring the po tential use of home mobile telepresence for telehomecare a qualitative study with healthcare professionals and community living elderly Journal of Telemedecine and Telecare 2006 Burschka et G D Hager V GPS SLAM Vision based inertial system for mo bile robot Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 409 415 2004 Choset E Acar A Rizzi et J Luntz Exact cellular decompositions in terms of critical points of morse functions Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 2270 2277 2000 Choset K Lynch S Hutchinson G Kantor W Burgard L Kavraki et S Thrun Principles of Robot Motion MIT Press 2005 C t Y Brosseau D L tourneau C Ra evsky et F Michaud Using marie in software development and integration for autonomous mobile robotics International Journal of Advanced Robotic Systems Special Issue on Software Development anf integration in Robotics 3 1 55 60 2006 C t D L tourneau F Michaud J M Valin Y Brosseau C Ra evsky M Le may et V Tran Code reusability tools for programming mobiel rob
11. La figure 3 8 montre la couverture qui est disponible sur le T l robot La pr sence de zones de chevauchement identifi es par les num ros 2 4 et 6 sont des endroits o plusieurs senseurs peuvent d tecter la pr sence d un obstacle partir de ces zones il est possible de d terminer une trajectoire qui permet au robot de ne pas se diriger directement vers l obstacle Les sonars rendent ainsi possible la mise en uvre de ce type d algorithmes car la couverture est quasi compl te devant le robot Il est important de noter l existence de zones mortes o les sonars ne peuvent d tecter les obstacles Elles se trouvent courte port e entre les senseurs zones blanches sur la figure 3 8 Six capteurs infrarouges GP2D120 sont aussi utilis s pour d tecter la pr sence de trous au 3 2 INTERFACE AVEC LES CAPTEURS 31 Figure 3 8 Zones de d tection offertes par les sonars niveau du plancher Il y en a un de chaque c t des roues de propulsion ainsi qu un autre l avant et le dernier l arri re La position des capteurs est identifi e par les fl ches pointill es dans la figure 3 6 Il est ainsi possible au robot de percevoir une situation dangereuse comme quand le robot approche d une cage d escalier ou bien quand l inclinaison du robot est trop importante La couverture mise en place sur le T l robot est diff rente de celle de Roomba Nous avons choisis de mettre les capteurs pr s des roues
12. rateur du robot lors des 5 1 ARCHITECTURE DECISIONNELLE 53 Rest Capteurs IR Avoid Floor Laser Sonars Bumpers Avoid Front Vitesse maximale lin aire rotation Avoid Back l Commande moteur Joystick Teleop el Sosssssssess gt Moteurs U Point X Y Th ta atteindre ET Goto Localisation X Y Th ta Point atteint D placement anticip Figure 5 3 Impl mentation du module Comportements tests r aliser sur l interface utilisateur L approche utilis e est pr sent e la figure 5 4 La vitesse maximale est permise quand l obstacle se trouve au del de la distance ext rieure La vitesse maximale permise d cro t de mani re lin aire entre les deux distances limites et elle est nulle quand l obstacle est une distance plus faible que la limite int rieure Des comportements plus sophistiqu s pourront ventuellement tre labor s en utilisant les informations des comportements Goto et Teleop pour influencer la direction prendre pour viter les obstacles 5 1 2 Module Ex cutif La figure 5 5 illustre le sch ma bloc du module Ex cutif Le module Navigate g re la r alisa tion de trajets partir des points soumis par le Planificateur de trajet Il fournit le premier point du trajet X Y au comportement Goto Celui ci g re le d placement du robot pour atteindre l objectif et
13. La raison pour utiliser cet environnement est qu il est difficile de faire passer le T l robot dans des endroits troits e g cadre de porte Ceci est d au comportement d vitement d obstacle Avoid Front qui bloque le robot quand il se trouve trop pr s d un obstacle Une autre raison est qu il n y a pas de diff rences au niveau du code utilis pour la g n ration et le suivi de trajet La seule diff rence dans l architecture est le bloc RobotInterfaceA A qui active les moteurs du T l robot ou dans l autre cas donne les commandes de d placements au robot simul L environnement de test propos est illustr la figure 5 10 Cet environnement est simple et il est divis en quatre cellules distinctes L arbre d adjacence des cellules est galement montr dans cette figure La d finition qui a t faite de l environnement est montr e dans le tableau 5 8 Les vitesses maximales qui sont utilis es par le robot lors de ses d placements sont de 250 mm sec et 28 sec et la tol rance utilis e pour consid rer l objectif vis comme 5 3 PERFORMANCES DU SYSTEME 65 Exemple de trajectoire suivie par le robot 5000 4500 4000 3500 3000 2500 t i t 3000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 x 3600 3800 Figure 5 9 Position du T l robot par rapport a la trajectoire optimale tant atteint est de 100 mm La figure 5 11 montre le r sultat de la g n ration et du suivi d
14. Puisqu a ce stade ci du projet nos tests ne se font pas l int rieur de domiciles l objectif poursuivi pour nos travaux est de mettre en place les capacit s perceptuelles et d cisionnelles requises pour que cette fonctionnalit puisse tre raffin e par la suite Elle regroupe les tapes suivantes 1 Localisation le robot doit d terminer o il se trouve dans l environnement 2 Destination le robot doit savoir o il doit se rendre Dans notre cas nous supposons que cette information lui est transmise par l interface utilisateur 3 Repr sentation le robot doit avoir une connaissance de l environnement d op ration 4 Navigation le robot doit tre en mesure de se d placer par lui m me Les prochaines sous sections viennent d crire les tapes de localisation de repr sentation et de navigation telles que mises en uvre sur T l robot avec leurs tests de performance associ s 4 1 Localisation Cette section pr sente les r sultats de tests de pr cision pour un syst me de localisation par odom trie et pour le syst me NorthStar Les r sultats obtenus sont compar s ceux du syst me de localisation CARMEN 18 dont les principes sont expliqu s la section 4 1 1 33 34 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES 4 1 1 Localisateur CARMEN Le logiciel CARMEN utilise une m thode probabiliste pour tre en mesure de localiser le ro bot dans un environnement
15. cat gories de fonc tionnalit s 12 Deux d entre elles sont partag es par notre projet ainsi que celui du Nursebot soient l aide la mobilit et l aide cognitive La troisi me est l assistance aux personnes dans des t ches domestiques Le robot poss de un bras robotique pour d placer des objets la place du patient La plate forme de base est le MP M470 de la compagnie Neobotix Ce robot est de grande dimension 470 mm x 470 mm x 756 mm et son poids est de 150 kg L alimentation est fournie par 8 batteries de 48 V pour une capacit totale de 84 Ah Il faut brancher manuellement le robot pour le recharger Le contr leur principal Pentiumll1 800 MHz est embarqu sur le robot et un 1 www neobotix de 2 1 ROBOTS EXISTANTS POUR LE SOUTIEN DE PERSONNES A DOMICILE 5 Figure 2 2 Care O Bot II cran plat de 15 pouces sert pour l interface usager Un d tecteur laser SICK LMS 200 ainsi que des interrupteurs de contact sont utilis s pour la d tection d obstacles La communication entre les diff rents modules embarqu s e g contr le du bras contr le du cou etc est faite par un bus CAN Un syst me de communication Ethernet sans fil peut tre utilis pour interagir avec le robot Un comportement de navigation autonome permet au robot de suivre des trajets pr tablis dans l environnement Robot Doc Cette plate forme est con ue dans le but d tre t l op r e par un m decin fig
16. choix de la mise en uvre de l algorithme d vitement d obstacle a t fait de mani re ne pas biaiser les r sultats des tests de t l op ration 68 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION CONCLUSION Le pr sent ouvrage explique la mise en place des aspects lectroniques et d cisionnels du premier prototype de plate forme de t l pr sence baptis e T l robot L accent est mis sur Vint gration des composants n cessaires pour mettre en uvre une premi re it ration des fonctionnalit s souhait es sur la plate forme L interface lectrique et lectronique du T l robot avec sa base de locomotion est fonctionnelle et caract ris e Les performances des capteurs de proximit nous permet d tablir un comportement d vitement d obstacle simple ralen tissant en fonction de la proximit des obstacles Les capacit s en localisation par odom trie NorthStar et CARMEN d montre sa sup riorit par rapport aux autres approches avec des performances beaucoup plus stables qu avec les autres m thodes T l robot est en mesure de se d placer dans des environnements r els de mani re autonome g n rant des trajec toires dans des environnements connus ex cutant les commandes d un utilisateur distance et s arr tant devant les obstacles et sans tomber dans des trous L autonomie nerg tique d montr e du robot est de trois heures ce qui r pond aux exigences fix es De ju
17. de d tection est d environ 4 La r ponse du capteur est une tension analogique et elle n est pas lin aire Il faut mettre en place une table d interpolation pour permettre d obtenir la distance de l obstacle L unit de mesure utilis e est le mm La pr cision est de l ordre de 10 mm dans la premi re moiti de la zone de d tection et elle passe a environ 20 mm dans la deuxi me Etant donn que les zones de d tection des capteurs infrarouges ne se chevauchent pas il est possible de faire une lecture simultan e de ceux ci Bien que les zones couvertes par ces capteurs ne permettent pas de faire un comportement d vitement d obstacle volu il est possible d utiliser ces valeurs pour ralentir le robot en fonction de la proximit des obstacles La figure 3 6 montre la couverture qui est fournie par ces capteurs sur le contour du robot Les lignes droites illustrent la direction du champ de d tection des diff rents capteurs La fleche noire indique lavant du robot Une chose importante consid rer est que la zone couverte est tr s limit e 3 2 INTERFACE AVEC LES CAPTEURS et il est possible pour le robot de percuter un obstacle sans m me l avoir d tect b Aad am A B ii ebe 420 GP2D1 2 s A sa mes Figure 3 6 Position des capteurs infrarouges sur le robot 29 La zone de d tection des sonars illustr e a la figure 3 7 montre que la z
18. de propulsion pour toujours tre en mesure de pouvoir d placer le robot en cas de probl me Les capteurs positionn s l avant et l arri re du robot reprennent la configuration du Roomba Le couverture r sultante est suffisante pour emp cher le robot de tomber dans un trou Des tests pr sent s la section 5 3 2 en donnent la preuve Enfin l ajout d encodeurs relatifs sur les bras de suspension nous a amen ajouter une carte d interface pour ces capteurs Cette carte d interface sert lire les encodeurs relatifs plac s sur les bras de suspension permettant ainsi de conna tre la position des roues et de mesurer la diff rence de hauteur entre les deux c t s du robot L objectif est de donner une information au niveau de la position des roues ainsi que sur la diff rence de hauteur entre 32 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE les deux cot s du robot L utilit de ces mesures et celles des infrarouges orient s vers le plancher est d identifier les situations op le robot pourrait basculer et tomber a la renverse Cette situation n est pas souhaitable car il n y a aucun moyen automatique pour remettre le robot sur ses roues CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES T l robot doit tre en mesure de se localiser dans l environnement de g n rer et de suivre une trajectoire C est probablement un des d fis majeurs surmonter dans l usage du robot dans un domicile
19. es changent avec le module AZIMUT 2 via un bus de communication CAN Un lien DC est utilis pour la communication entre les cartes d interfaces des senseurs de proximit et les senseurs Outre le localisateur NorthStar et le laser il fallait positionner des sonars et des infrarouges pour la d tection courte port e Afin d tablir la disposition nous avons valu les champs de perception propres ces capteurs pris individuellement Les tests consistaient placer un obstacle fixe l avant 28 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE USB Webcam navigation RS 232 Laser Module AZIMUT 2 lt lt RS2322 NorthStar De Sonars SRF10 4 CAN Carte d interface des capteurs de proximit avant Interface IR 8 Carte d interface DC des capteurs de proximit arri re a gt Interface IR 8 Carte d interface des encodeurs de suspension Figure 3 5 Liens de communication entre les diff rents p riph riques du capteur et comparer la valeur retourn e avec la distance r elle de l obstacle qui est mesur e manuellement Les performances des capteurs infrarouges GP2D12 et GP2D120 respectent les sp cifica tions du manufacturier au niveau des distances de d tection Pour le GP2D12 la distance de d tection se situe entre 100 mm et 800 mm et elle est de 40 mm 300 mm pour le GP2D120 Dans les deux cas l ouverture du c ne
20. les d placements longitudinaux et lat raux du robot Le robot se d place sur un trajet en forme de triangle rectangle de 1 5 m par 2 m Le tableau 4 4 pr sente la diff rence entre l estimation de position avec la position r elle une fois que le robot retourne son point de d part Une hypoth se expliquant les erreurs sur l odom trie T l robot est la variation du param tre T en fonction de la surface d op ration et la largeur de la surface de contact des roues 4 1 LOCALISATION 39 Les roues de propulsion du robot ont une largeur de 50 mm ce qui cr e une plus grande surface de contact avec le sol mais aussi une plus grande sensibilit aux d fauts de surface de l environnement L ajout d lastiques de 15 mm de largeur sur les roues de propulsion permet de r duire la surface de contact avec le sol et du m me coup les erreurs Le tableau 4 4 pr sente les erreurs observ es avec l ajout d lastiques sur les roues Ces mesures confirment une am lioration en Y et en angle mais pas en X Ceci est normal car la r duction de la surface de contact peut occasionner une moins bonne friction dans les d placements selon laxe longitudinal de la roue L usage de roues profil es pour r duire davantage la surface de contact avec le sol pourrait am liorer l odom trie du robot En guise de comparaison des mesures ont aussi t prises avec le localisateur CARMEN utilisant le laser comme capteur de proximit videm
21. rentes technologies pour r aliser l ensemble des capacit s demand es sur un seul et m me syst me Le document se divise en cinq sections Le chapitre 2 pr sente une revue des diff rentes technologies qui pourraient tre utiles pour la r alisation de ce projet Le chapitre 3 traite des choix qui ont t faits au niveau de la conception lectronique du prototype Le chapitre 4 pr sente les diff rents concepts li s la navigation autonome ainsi que de son impl mentation dans le logiciel de contr le Des r sultats de tests de performance sur les diff rents syst mes de localisation sont pr sent s dans ce chapitre Le chapitre 5 traite du fonctionnement et de la mise en uvre du logiciel de contr le haut niveau CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Cette section pr sente diff rents syst mes et approches en lien avec notre projet La section 2 1 touche les robots existants partir desquels il est possible de s inspirer pour faire le d veloppement de la nouvelle plate forme La section 2 2 passe en revue l ensemble des points li s la probl matique de la navigation autonome en robotique mobile 2 1 Robots existants pour le soutien de personnes domicile Les projets robotiques suivants ont t d velopp s dans le but de r pondre aux besoins de soutien des personnes domicile Chacun des robots pr sent s poss de au moins une caract ristique qui se rapproche de notre projet L an
22. robot pour contr ler les interfaces vocales et le traitement d images La communication entre les modules est fait par une connection s rie Sa tol rance quant la d nivelation maximale du plancher est de 1 cm ApriAlpha Ce robot a t d velopp par la compagnie Toshiba pour op rer dans un environnement domiciliaire figure 2 5 Le robot communique via un lien Ethernet 2 1 ROBOTS EXISTANTS POUR LE SOUTIEN DE PERSONNES A DOMICILE 7 NW de Figure 2 5 ApriAlpha sans fil Bluetooth ou par infrarouge Un syst me audio bidirectionnel est aussi dispo nible L aspect int ressant est sa petite taille 350 mm x 350 mm x 380 mm et son poids de 10 kg Il a une autonomie d environ deux heures et la recharge n est pas au tonome Le syst me utilise six sonars pour l vitement d obstacles Les cam ras vid o sont utilis es pour permettre a un algorithme de vision d identifier la pr sence d une personne dans l image L algorithme recherche la pr sence de v tements en utilisant les caract ristiques de couleur et de texture de ceux ci Une fois qu une personne est trouv e il est possible de la suivre lors de ces d placements tout en restant a une distance s curitaire 2 1 2 Robots de t l pr sence Par d finition la t l pr sence permet a un op rateur de voir d entendre et de se d placer un peu partout et m me agir dans un environnement distant Les caract ristiques de trois pla
23. robot pour obte nir la repr sentation 2D de l environnement Bien que les sonars sont moins co teux et moins nergivores qu un laser ils sont aussi moins pr cis louverture du c ne de d tection Swww sickusa com 2 2 NAVIGATION AUTONOME 15 est de 30 et ils sont tr s sensibles au bruit lectrique et aux chocs Le taux de ra fraichissement des lectures est de l ordre de 25 Hz D pendamment du type de surface de l objet et de l angle d incidence de l onde ultrasonique il est possible que l onde mise ne soit pas r fl chie par la surface e g tissu ou qu elle rebondisse sans revenir vers l emet teur ph nom ne connu sous le nom de r flexion sp culaire Un capteur ultrasonique peut r agir une onde envoy e par un autre capteur sur le robot crosstalk ou recevoir l echo envoy lors d une lecture pr c dente r flexion fant me Rep rage par signature visuelle Ce type de rep rage tente de tirer des informations ca ract ristiques d images prises dans l environnement 24 14 19 Par exemple il est pos sible d extraire le contour des objets et d ensuite faire une comparaison avec des points connus de l environnement e g meuble cadre de porte 24 Une autre m thode consiste trouver les variations importantes au niveau des couleurs dans l image 24 L image est divis e en petites zones ind pendantes ce qui permet de g n rer une signature unique pour chaque i
24. un capteur laser est une solution ad quate mais co teuse nerg tiquement et en masse L utilisation d infrarouge semble ad quate mais seulement courte port e 15 20 cm tandis que les sonars s av rent utiles pour des port es moyennes 15 75 cm Il est galement important pour le robot d tre en mesure de d tecter la pr sence d escaliers Le robot doit tre en mesure de naviguer d un point A un point B de fa on autonome dans le domicile La navigation par rep rage laser est fonctionnelle mais elle demande des ajustements au niveau de la cartographie Il faut faire attention aux changements brusques de vitesse lorsque la cam ra de t l o p ration se trouve haute par rapport a la base de la plate forme Des oscillations sont alors perceptibles dans le flux vid o ce qui est d plaisant pour le t l op rateur De grandes oscillations sont aussi engendr es lorsque le robot passe au dessus d un seuil de porte Une suspension appropri e doit tre con ue 23 Figure 3 2 Base du T l robot assembl e Une autonomie nerg tique de deux heures est souhaitable pour les usages du robot Le prototype du T l robot r sultant est illustr la figure 3 2 Il est construit m me la plate forme modulaire robotique AZIMUT 2 16 Il reprend deux roues de propulsion ainsi que le module de traitement et en ajoutant un nouveau syst me de suspension boggie et des capteurs de proximit Le m
25. 1 Tableau 3 1 Tableau 4 1 Tableau 4 2 Tableau 4 3 Tableau 4 4 Tableau 4 5 Tableau 4 6 Tableau 4 7 Tableau 4 8 Tableau 4 9 R sum des diff rentes caract ristiques informatiques des syst mes GE ied ks ae S G ANR ER Ke EE a OE SS Consommation nerg tique des diff rents syst mes Exactitude de l odom trie en ligne droite pour les robots sur des dis tances diff rentes 4 ws Mons Go EE Erreur sur l estimation odom trique apr s une r volution Erreurs 250 mm sec et 28 sec sans lastique Erreurs 250 mm sec et 28 sec avec lastique Erreurs 100 mm sec et 12 sec avec lastique Sp cifications techniques du syst me NorthStar Intervalles des erreurs du NorthStar en laboratoire Comparatif du NorthStar et de CARMEN au point de r f rence Comparatif du NorthStar et de CARMEN en un point statique Tableau 4 10 Temps de recherche de trajets selon le mode en msec Tableau 5 1 Tableau 5 2 Tableau 5 3 Tableau 5 4 Tableau 5 5 Tableau 5 6 Correspondance entre l architecture d cisionnelle et l architecture lo pierelleur QA EE EE EE Temps de r action suite a la r ception d une commande d arr t d ur gence valeurs en msec 2 Ae EN Go ae AA ES EE Oe A Temps de r action pour un changement de vitesse valeurs en msec Temps de r action sui
26. 100 mm sec L intervalle au niveau de la vitesse de rotation est de 5 sec amp 265 sec Les autres l ments lectroniques du T l robot soient son alimentation lectrique et l inter face avec les capteurs ont t con us sp cifiquement pour la plate forme et sont d crits dans les prochaines sous sections 3 1 Alimentation lectrique La premi re tape pour la conception du syst me d alimentation du T l robot fut de mener une tude au niveau de la consommation nerg tique des diff rents l ments int grer sur la plate forme Le tableau 3 1 r sume les donn es utilis es impliquant diff rents syst mes sensoriels install s sur le robot TABLEAU 3 1 Consommation nerg tique des diff rents syst mes Syst me Alimentation Volt Puissance Watt Module AZIMUT 2 moteurs l arr t 24 50 Module AZIMUT 2 moteurs 350mm sec 24 100 Senseurs interface 4 sonars 16 IR 24 5 Vid ophone CareStation 12 22 Cam ra web Sony RZ230 12 13 2 Localisateur infrarouge NorthStar 12 0 66 Laser SICK LMS200 24 17 5 La puissance envisag e lorsque le robot est immobile est de 80 43 W et de 130 43 W en mouvement La vitesse de 350 mm sec est la vitesse maximale utilis e lors de la premi re phase de test du T l robot En prenant comme hypoth se que le robot est en mouvement 50 du temps la consommation nerg tique moyenne devrait tre de 105 4
27. 3 0 8980 11150 0 462 6 8956 11114 0 8970 11150 0 923 7 8956 11112 0 8960 11150 1 13305 8 8956 11110 0 8970 11150 0 636 9 8956 11113 0 8960 11150 1 028 10 8957 11120 0 8960 11150 0 818 Moyenne 8956 11121 0 8974 11148 0 698 Un autre test a t effectu en un point o le niveau du plafond est diff rent du point de r f rence Cette situation n est pas pr sente dans la plupart des domiciles sauf lorsque le robot passe sous un cadre de porte Le tableau 4 9 montre l erreur caus e par le niveau du plafond L erreur propore du NorthStar n est alors plus n gligeable 4 2 Planification de trajectoire La planification de trajectoire s effectue partir d une repr sentation de l environnement Pour les fins du projet l accent n est pas mis sur les capacit s du planificateur de trajectoire mais bien sur son int gration sur le T l robot Nous avons choisi d utiliser une approche par d composition en cellules exactes 6 Elle consiste diviser l espace libre de l environnement en cellules rectangulaires comme le montre la figure 4 2 pour l espace d exp rimentation au 44 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES TABLEAU 4 9 Comparatif du NorthStar et de CARMEN en un point statique Mesure Estimation du NorthStar Estimation de CARMEN X mm Y mm X mm Y mm 1 7430 11530 171 161 7028 11304 180 2 74
28. 3 W Des batteries de 24 Vdc doivent tre en mesure de fournir en moyenne 4 4 A en continu pendant deux heures pour r pondre la sp cification d autonomie nerg tique Pour tablir la puissance maximale requise nous avons consid r e la valeur maximale qui peut tre consomm e le 3 1 ALIMENTATION ELECTRIQUE 25 module AZIMUT 2 Le cas extr me est lorsque la plate forme fait un changement brusque au niveau de la consigne de vitesse de 1100 mm sec 1100 mm sec La puissance observ e au niveau du module fut de 200 W ce qui indique des courants de pointe de 8 3 A La figure 3 3 montre le sch ma lectrique du T l robot constitu du chassis d AZIMUT 2 avec sa base de propulsion de type boggie Le mod le de pile VHD de la compagnie SAFT a t s lectionn Ces piles sont de types NiMH avec une tension nominale de 1 2 Vdc et une capacit de 8 5 Ah Elles sont similaires a celles utilis es sur AZIMUT 2 Les batteries sont configur es en deux paquets de 20 piles branch es en s rie Datt et Batt2 ce qui donne une tension r sultante de 24 Vdc pour chaque paquet Avec une capacit nerg tique de 17 Ah il est th oriquement possible d atteindre une autonomie de 3 87 heures ce qui r pond la sp cification Cette valuation est extr me dans le sens o tous les capteurs consid r s au tableau 3 1 ne seront pas requis simultan ment pour l usage du T l robot Le temps de recharge des batteries est d
29. 30 11550 171 978 7029 11303 180 3 7420 11550 172 447 7009 11304 180 4 7430 11550 171 768 7029 11304 180 5 7420 11550 172 174 7029 11304 180 6 7420 11550 172 3 7020 11303 180 7 7430 11530 171 915 7003 11303 180 8 7430 11530 172 118 7025 11304 180 9 7420 11550 172 09 6998 11305 180 10 7420 11540 172 398 7006 11303 180 Moyenne 7425 11543 172 035 7018 11304 180 LABORIUS La division pr sent e est celle qui a t utilis e lors des tests avec l interface usager du T l robot Elle d finit l environnement du LABORIUS ainsi que les locaux voisins Chaque cellule est d finie par les coordonn es X Y dans le plan de ses quatres sommets desquels il est possible de d terminer un point central Le r le du planificateur de trajectoire est de d terminer un trajet passant par les points centraux des cellules partant de l endroit o se trouve le robot vers la destination d sir e Avec ces cellules il est possible de repr senter les liens entre elles partir d un graphe d adjacence comme le montre la figure 4 3 Ce graphe d finit un espace de recherche pour l tablissement de trajectoires Pour d terminer un trajet il suffit de sp cifier une destina tion qui sera associ e la cellule o elle se trouve Un algorithme de recherche vient alors d terminer la trajectoire r aliser pour minimiser la distance parcourir Nous avons choisi d utiliser un algorithme A 7 avec trois heuristiques d v
30. AA aaplayer aafdTRPioneer2Block telerobotAA 12004 12005 OdometryLocalize la Mailbox 13126 13127 Odometry Splitter 13002 13003 IR Splitter 13004 13005 Sonar Splitter 13006 13007 57 DataLaser 30309 Z 30500 c DataRaw 30503 c CommandJoystick 30501 CommandMotor aafdTRDecisionNetwork 12000 12001 30502 c CommandMotor 30504 c DataList Data2DPoint c 30505 Data2DPoint CI ci cefe aafdPathPlanner 12002 12003 Path Mailbox 13134 13135 a C Odometry Mailbox C IR Mailbox a 30301 13114 13115 DataOdometry a 30302 13116 13117 DatalR a aC Sonar Mailbox a 30303 13118 13119 DataSonar Power Splitter 13008 13009 Power Mailbox a 30304 13120 13121 DataPower Bumper Splitter 13010 13011 Motor Splitter 13012 130013 Bumper Mailbox a 30306 13122 13123 DataBumper 30307 CommandMotor Figure 5 6 Impl mentation sous MARIE de l architecture d cisionnelle de T l robot 58 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION aaCARMEN Localizer 10106 10107 CARMENLocalization Mailbox 13138 13139 aaPlayer 10104 10105 Laser Splitter 13014 13015 DataLaser Laser Mailbox 13140 13141 Figure 5 7 Impl mentation du laser et CARMEN compte de la position estim e du robot et de la position de l objectif Goal Il est impor tant
31. E UNIVERSIT DE SHERBROOKE Facult de g nie G nie lectrique et g nie informatique Conception lectronique et informatique d un robot mobile pour usage dans un environnement domiciliaire M moire de maitrise s sciences appliqu es Sp cialit g nie lectrique Richard CLOUTIER Sherbrooke Qu bec Canada 01 2007 RESUME Un robot mobile permet d tendre les sens et les capacit s d action des humains dans des environnements vari s Un de ces environnements est le domicile o le robot peut agir pour rendre des services aux occupants directement ou a distance via une interface de com munication C est dans ce cadre que le travail pr sent dans ce m moire se situe et plus sp cifiquement pour la conception lectronique et informatique d un prototype de base mo bile t l op r e distance dans une optique de prestation de soins domicile en t l sant Aucune plate forme de ce type existe sur le march et notre tude vise mettre en vidence et r pondre aux d fis d int gration sous jacents une telle conception Ce m moire vient tudier le choix des capteurs leurs interfaces nerg tique et informatique et leur disposition sur la plate forme la localisation de la plate forme dans son environnement par odom trie balises infrarouges NorthStar et rep rage laser la planification de trajectoires l architecture logicielle ainsi que la prise de d cision embarqu e sur le robot v
32. OQUI wu 0007 OqoOrITAT T S 8 T OT L 9 L 9 6 CI wu INOLTA GEO 861 0 6 0 PET O ZGT O ESET S6T 0 S90 O 202 0 000 98q 0 BASSE PISI 921 Z6PT PEST SLPT ZIGT ZEST 9GET 96FT ott 1991 OTTRATOQUI mm YOST Joqods l CO 9 Z 0z I I 6 6 9 wu morg StrCH GOCO 6T 0 90E 0 Z6F O zos o 260 0 S99 0 0 0 09 0 007 0 BASSE 16 PEOT O86 9001 amp 66 ZEOT ZSOT 066 S66 TOOT 1994 OTTRATOQUI wu 0001 1oqos l 1 Gr Z G I L 9 z urur INOLTA 9470 007 0 2670 619 0 0F0 Z6T O 88T 0 8Z 1 000 0 86E 0 8610 ITn zrr p toS ger 699 t67 zze zee S9k POS zog TOG Ww mat afpaioamt ww 009 Tool ine I Z G Z I I 9 0 Z y wu mong 9GO T G6L 0 9LO T 88T T GET SET T P870 OOST SOE T IT6 0 S880 MOI P 9001 ZZOT OTOT O OT 8EOT GGOT OOOT 66 886 9TOI 1991 OTTRATOQUI WU ODOT Zz toouorg 8 IT CI ial ST GT ST 6 6 wu morg GOZ T 6GE T PIFI G29 E PET O 0SF0 SOS O OGCT GEZ ZETT SPT MOD P GI G6p LTS SIG H POF PIS gt oge zog ww p91 o eAIOJUT ww 009 Z d uolq Co L L 61 I A I 9 9 9 9 urur INOLTA suudAOJI sressrT Dat O TRAIOQUI yoqoy SOJUOIOTIP SoouRysIp Sop INS SJOQOI SO nod oy101p OUST Us oL1JOULOPO op 2PNHIIEXA I OVATAVL 38 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES Le second test
33. PERFORMANCES DU SYSTEME 59 5 3 Performances du syst me Des tests ont t faits pour valider le bon fonctionnement de l architecture et pour en caract riser les performances Pour l ensemble des tests pr sent s l architecture compl te tait active sur le robot Autrement dit les valeurs sont prises en consid rant des condi tions d op ration du syst me int gr Les tests se divisent en trois sections La premi re cherche tablir le temps de r action de l architecture d cisionnelle suite la r ception de diff rentes commandes de t l op ration La deuxi me contient les preuves de fonctionnement des diff rents comportements moteurs La troisi me d montre le fonctionnement global de l algorithme de suivi de trajet autonome 5 8 1 Temps de r action de l architecture logicielle Les temps de r action du syst me ont t analys s pour permettre de caract riser les perfor mances de l architecture Le premier test consiste mesurer sur dix essais le temps entre la r ception d une commande d arr t d urgence logiciel et le moment o la commande moteur re ue par le bloc RobotInterfaceAA passe une vitesse nulle Le tableau 5 2 montre les r sultats des dix essais pr sentant une moyenne de 158 msec TABLEAU 5 2 Temps de r action suite la r ception d une commande d arr t d urgence valeurs en msec Essais D lai 214 151 136 137 106 190 174 164 111 192
34. T NAVIGATION DANS LES DOMICILES robot peut alors tre r initialis e par rapport des points absolus de l environnement diminuant les erreurs li es la localisation relative dans la mesure o les rep res sont uniques et pr cis Outre les m thodes pr sent es pr cedemment une approche consiste d utiliser la technologie RFID 13 Plusieurs modules passifs RFID sont d ploy s des endroits fixes et connus dans l environnement et les coordonn es des diff rents points sont enregistr es dans le robot La localisation du robot est bas e sur l odom trie qui est recalibr e lors du passage du robot pr s d un des modules RF moins de 60 cm 2 2 2 M thodes de cartographie de l environnement et g n ration de trajectoire Une fois localis il est possible au robot de se situer dans l environnement d op ration et de planifier un trajet pour se rendre d un point A un point B Pour y arriver le robot a besoin d une carte de l environnement Cette carte peut tre fournie pr alablement au robot ou tre construite dynamiquement soit lors d une tape de cartographie pr alable la mise en op ration du robot soit directement par les actions autonomes du robot Cette derni re technique est qualifi e de SLAM Simultaneous Localization and Mapping Le SLAM est une probl matique de recherche encore d actualit qui demande de pouvoir compenser les erreurs de localisation du robot lors de la constructi
35. a carte d alimentation du robot pour controler les diff rentes tapes pour recharger les batteries de mani re ad quate e g modifier le courant utilis pour recharger les batteries en fonction de la tension de celles ci L autre probleme est de d velopper un syst me m canique pour faire le branchement physique entre le robot et la station Le prochaine tape dans la poursuite de ce projet est d amener le robot dans les domiciles et de valider ses capacit s de navigation autonome dans des conditions d op ration hors la boratoire L architecture d cisionnelle pourra tre reprise telle qu elle avec des ajustements au niveau du module de localisation e g utiliser la plus r cente version de CARMEN et d vitement d obstacles e g pour le contournement d obstacles en suivant une trajec toire L utilisation d un capteur laser URG04 d Hokuyo devrait aussi augmenter l autono mie nerg tique du robot La validation du prototype dans l usage souhait soit de r aliser une t l pr sence en transportant un vid ophone pourra alors tre compl t e afin de passer la r alisation dans un contexte r el d usage pour les soins aux personnes g es R f rences 10 11 12 13 14 R R Arkin Behavior Based Robotics The MIT Press 1998 Betke et L Gurvits Mobile robot localization using landmarks IEEE Transactions on Robotics and Automation pages 251 263 1997 J
36. aliment par six cellules de 7 2 V pour une capacit totale de 3 Ah Le syst me de recharge est externe au robot Il est possible d utiliser un processeur XScale de 400 MHz ou de monter un syst me de communication par radio fr quence pour permettre un contr le distance du robot Des sonars et des d tecteurs infrarouge sont utilis s pour la d tection d obstacles CoWorker Ce robot montr la figure 2 8 a t con u sp cifiquement pour la t l pr sence L op rateur contr le le robot via une interface web et un lien Ethernet sans fil Les dimensions de cette plate forme sont de 687 x 432 x 914 mm et elle p se environ 34 kg L ordinateur de bord est un PentiumIII 800 MHz Elle est munie d une cam ra d un sonar rotatif et de capteurs infrarouges Ce syst me n a pas de comportement de recharge ou de navigation autonome 2 1 ROBOTS EXISTANTS POUR LE SOUTIEN DE PERSONNES A DOMICILE 9 Figure 2 7 Garcia Figure 2 8 Coworker 2 1 3 Robot de service Il existe sur le march diff rentes plate formes dans cette cat gorie Les applications princi pales sont des aspirateurs ou des tondeuses gazon Leur fonction principale est de couvrir une surface de travail de dimension variable de mani re autonome Le robot Roomba le premier et jusqu pr sent le seul succ s commercial de robots de service domicile vendu plus de 2 millions d exemplaires partout dans le monde r sume bien les carac
37. aluation Greedy utilise la distance entre les centres de la cellule de d part et de la cellule de destination m me si ces cellules ne sont pas adjacentes Dijkstra utilise la distance entre les centres des cellules sur l ensemble de la trajectoire Mixte recherche qui regroupe les deux crit res pr c dents Un test a t fait pour voir l impact des diff rentes heuristiques sur le temps de traitement de l algorithme Le tableau 4 10 montre les r sultats pour une recherche entre la cellule C4 4 2 PLANIFICATION DE TRAJECTOIRE 45 O c8 k Cp OC 415 EN C28 C7 C4 C16 C15 C5 c9 21 C20 Cc c1 C2 c3 C13 Haut C18 C17 c11 C27 C26 i c10 l Elevation Z Floor drawing of corridor laboratoire salon C24 C25 PlancherSalon1e FORMAT N CODE N DESSIN R V R ALIS DANIEL LABONT c CR ATION 2006 07 05 CHELLE 1 50 I millimeter FEUILLE 112 Figure 4 2 Division en cellule de l environnement d exp rimentation 46 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES ae Figure 4 3 Arbre d adjacence pour l environnement d exp rimentation 4 3 DISCUSSION 47 et la cellule C13 La pr sence de variations est reli e au fait que le syst me ne fonctionne pas de mani re synchrone Il y a des processus q
38. alyse se divise en trois sections La premi re d crit des robots qui interagissent avec des personnes g es ou des patients dans les h pitaux La deuxi me touche les robots de t l pr sence La troisi me pr sente un robot de service domicile 2 1 1 Robots utilis s avec des personnes g es Cinq robots font partie de cette cat gorie 1 Nursebot Ce robot est con u pour op rer dans une r sidence pour personnes g es 20 22 figure 2 1 Le robot sert d escorte pour diriger les patients vers des endroits strat giques e g toilettes Il op re dans une zone limit e de l environnement pour une question de s curit Un syst me audio est aussi impl ment sur le robot pour les interactions entre l op rateur et le patient Un module d aide cognitive e g rappel CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Figure 2 1 Robot Nursebot en action pour prendre un m dicament a t impl ment pour palier aux probl mes de perte de m moire chez les personnes g es Un syst me de reconnaissance vocale est galement utilis pour commander le robot Le robot p se 34 kg et a une hauteur de 1210 mm Il faut brancher le robot pour permettre la recharge des batteries La plate forme est dot e d un balayeur laser SICK PLS ainsi que de 16 sonars Ces senseurs sont utilis s par le systeme de navigation autonome du robot Care O Bot IT Ce syst me montr la figure 2 2 regroupe trois
39. de d velopper une nouvelle plate forme pour r pondre aux exigences de l environnement d op ration et de l interface op rateur De plus les groupes de discussion focalis e avec des cliniciens des aidants naturels et des personnes g es ont permis d identifier le t l gardiennage et la t l assistance dans la prestation de soins comme applications cibles de la plate forme affectant du m me coup les sp cifications pour le nouveau robot Parmi les observations faites lors de ces essais les points suivants touchent directement la conception lectronique du prototype de ce nouveau robot baptis T l robot Une propulsion de type diff rentielle soit une roue de propulsion ind pendante sur chaque c t du robot permet des d placements appropri s dans le domicile Ce mode de propul sion est compact et permet d utiliser des algorithmes de contr le simples Une propulsion 21 22 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE a CoWorker b Magellan Figure 3 1 Robots utilis s pour les tests a domicile de type diff rentielle est pr f rable une propulsion de type omnidirectionnelle pour ne permettre que des d placements dans la direction o l image de la cam ra est disponible Un syst me de d tection des obstacles est important car il est difficile un op rateur de d tecter la pr sence d obstacle en utilisant seulement la vue vid o de la cam ra de t l op ration comme r f rence Utiliser
40. de r f rence 0 0 de la zone de r p rage Des mesures ont t prises chaque 100 mm sur une distance de 2 0 m pour un total de vingt points TABLEAU 4 7 Intervalles des erreurs du NorthStar en laboratoire M trique Distance recommand e Distance maximale Position cm 1 9 1 16 Angle 1 9 1 7 Une s rie de tests a aussi t effectu e en trois points de l environnement afin de comparer http www acroname com robotics info evaluation northstar northstar html 4 2 PLANIFICATION DE TRAJECTOIRE 43 les performances entre ce syst me et CARMEN Il est important de mentionner que l un des points utilis s pour l analyse est celui o le syst me NorthStar a t calibr autrement dit l endroit o les r sultats sont optimaux De plus ce point se trouve sous une partie du plafond qui se trouve au m me niveau que le point de r f rence Le tableau 4 8 montre une comparaison sur dix lectures entre les deux syst mes Il est possible de voir que les deux syst mes ont une performance comparable dans ces conditions d op ration TABLEAU 4 8 Comparatif du NorthStar et de CARMEN au point de r f rence Mesure Estimation du NorthStar Estimation de CARMEN X mm Y mm X mm Y mm G 1 8956 11140 0 9000 11150 359 993 2 8956 11140 0 8980 11140 0 175 3 8953 11136 0 8980 11140 0 329 4 8956 11116 0 8980 11150 0 783 5 8955 1111
41. e dans le domicile L ensemble des fonctionnalit s identifi es pour T l robot sont pr sent es dans la liste suivante 1 Acheminer l tat des capteurs et de sa prise de d cision l interface utilisateur 2 Interpr ter et appliquer les commandes d placement modes arr t pousser des objets envoy es par l interface utilisateur 3 Utiliser un mode s curitaire de d placement par vitement d obstacles 4 Se localiser dans l environnement de g n rer et d y suivre une trajectoire 5 Identifier le besoin de recharge des batteries et aller se recharger 6 D tecter la pr sence d un bris de communication avec l interface utilisateur afin d arr ter le robot La conception logicielle pour la mise en uvre de ces fonctionnalit s comporte l laboration d une architecture d cisionnelle et d une architecture logicielle L architecture d cisionnelle d crit les modules de traitement et leurs interrelations pour la prise de d cision L architec ture logicielle explique comment ces modules sont impl ment s sur le robot 49 50 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 5 1 Architecture d cisionnelle L architecture d cisionnelle utilis e sur le T l robot r pond aux caract ristiques des archi tectures hi rarchiques hybrides 23 1 La figure 5 1 illustre le principe g n ral de ces ar chitectures Le Planificateur de trajet expliqu a la section 4 2 se tr
42. e deux trajectoires pour un m me objectif qui se trouve a la position 1500 2500 La diff rence entre les deux examples est le point de d part du robot 4000 2250 et 4000 1500 respectivement Le crit re de s lection pour tablir trajet est de minimiser la distance lin aire qui sera couverte par le robot Le calcul de distance pour le premier segment est fait en fonction de la distance entre le centre des cellules adjacentes et la position actuelle du robot et non la position du centre de la cellule op le robot se trouve C est pourquoi l algorithme prends les chemins les plus directs pour se rendre l objectif 66 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 5000 3500 5000 3000 1000 1000 Ei a Division de l environnement b Arbre d adjacence Figure 5 10 Environnement de test simplifi TABLEAU 5 8 Fichier de d finition utilis pour la preuve de fonctionnement FREESPACE 4 number of spaces where the robot can go 1000 1000 0 1000 3500 0 2000 3500 0 2000 1000 0 2000 1000 0 2000 1900 0 3000 1900 0 3000 1000 0 3000 1000 0 3000 3000 0 5000 3000 0 5000 1000 0 2000 2100 0 2000 3000 0 3000 3000 0 3000 2100 0 Les points noirs repr sentent les diff rents points du trajet suivre Les deux trajets passent par une cellule interm diaire et le centre de celle ci devient un objectif Des points de transi tions sont ajout s aux fronti res entre les cellules L ob
43. environ 3 heures Les chargeurs Ch1 et Ch2 servent recharger les batteries tandis que la source d alimentation 24 V permet d alimenter le robot lorsque les batteries se rechargent Il a fallu ajouter un branchement entre les deux cartes de gestion d alimentation pour amener la tension de la source externe la carte de gestion de T l robot La raison de ce choix est qu il tait difficile de faire une modification la prise o se branche le c ble de branchement sur AZIMUT 2 Un point important consid rer dans la conception fut de s assurer que le module d alimenta tion alimente en tout temps et sans interruption les syst mes du robot qu il soit en recharge ou en op ration Le temps de r action du syst me lors d un branchement ou d branchement de l alimentation externe doit tre assez rapide Un circuit lectronique g re la s lection de la source d alimentation qui est utilis e par le robot La s lection des sources est repr sent e par des interrupteurs sur la figure 3 3 Les deux batteries sont s lectionn es en m me temps lorsque le niveau de tension de la source externe est inf rieur 20 V Dans le cas contraire c est l alimentation externe qui est s lectionn e Les batteries sont prot g es par les disjonc teur D1 et D2 de 20 A Ces disjoncteurs servent galement d interrupteur pour d brancher les batteries du reste du syst me Le syst me de gestion d alimentation nerg tique d
44. envoie une confirmation au bloc Ex cutif lorsque le point est consid r comme tant atteint Dans ce cas le module Navigate envoi le prochain point du trajet et 54 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION Avant Limite ext rieure Vitesse 100 0 ay Limite Limite Proximit Limite int rieure int rieure ext rieure a Zone de proximit b Vitesse maximale permise Figure 5 4 Vitesse maximale permise en fonction de la proximit des obstacles le cycle recommence jusqu ce que le trajet soit compl t Les modules Survive et Lonely assurent les conditions d op ration s curitaires du robot en activant le comportement Rest Le module Survive examine le niveau de tension des batteries du robot et il active Rest quand le niveau de tension est inf rieur 23 5 V pendant 10 secondes pour viter d tre sensible aux variations de tension caus es par l activation des moteurs Ce choix se justifie par la contrainte de vouloir rester s curitaire avec le robot le temps que les modules de navi gation autonome soient valid s en conditions r elles En temps normal ce module viendrait activer un comportement de recharge autonome et la g n ration d une trajectoire vers une station dont le robot conna t la position Le module Lonely identifie une faute lorsqu aucune communication n est re ue avec l interface utilisateur pendant 300 msec activant alors Rest pour des fins de s curit
45. ersus sa t l op ration distance Nos r sultats d montrent les performances du syst me con u et ses fonctionnalit s servant de premi re preuve de concept pour une telle plate forme Le design lectrique du robot ainsi que le choix de ses composantes nous permettent d obtenir une autonomie nerg tique de trois heures L ajout de capteurs de proximit permettent la mise en place d un algorithme d vitement d obstacles o le robot ralentit sa vitesse l approche d un obstacle Le logiciel CARMEN est le syst me de localisation tudi qui donne la meilleure estimation au niveau de la position du robot dans l environnement Le robot est galement capable de se d placer de mani re autonome dans l environnement d op ration en utilisant une repr sentation de celui ci qui a t faite au pr alable Des tests en laboratoire ont permis de valider le fonctionnement g n ral du prototype tant au niveau de la prise de d cision autonome que celui de l ex cution de commandes envoy es par un op rateur distant Ce prototype s av re donc tre un excellent point de d part sur lequel des am liorations pourront tre apport es quant l vitement d obstacles et la reprise de trajectoire et pour la tenue de tests dans de vrais domiciles il RESUME REMERCIEMENTS Je tiens remercier mon directeur de recherche M Fran ois Michaud pour son soutien tant au niveau acad mique que moral ainsi que pour la c
46. es tests ont t effectu s en situation optimale de fonc tionnement c est dire que l algorithme n a pas de recherche faire et trouve la solution imm diatement car les deux points sont dans la m me cellule Ce choix fut fait pour per mettre de bien voir le temps qui est n cessaire pour la communication entre les blocs de l architecture Des tests ont t faits sur T l robot avec l laboration d un trajet qui couvre diff rentes cellules Le temps additionnel pour la recherche et l laboration d un trajet est d environ 1 msec ce qui est n gligeable devant le d lai complet de l architecture qui est en moyenne 656 msec Le d lai complet de l architecture ne d passe donc pas une seconde ce qui est un temps de r action correct pour ce type de commande TABLEAU 5 4 Temps de r action suite une demande de trajet autonome D lai msec Temps recherche msec 573 2 08 548 1 378 820 1 378 766 1 346 729 1 363 622 1 376 692 1 356 326 1 387 814 1 425 675 1 377 5 3 PERFORMANCES DU SYSTEME 61 5 3 2 Preuves de fonctionnement des comportements moteurs Dans le cas du comportement d arr t d urgence Rest des tests ont t effectu s pour v rifier le d lai entre le temps o la commande d arr t d urgence est re ue et le moment o les encodeurs de roues confirment que le robot est compl tement arr t Les tableaux 5 5 et montre les r sultat
47. et lorsque la distance retourn e par ces capteurs est trop grande le robot identifie une situation de faute Des interrupteurs de contacts sont galement utilis s pour identifier la pr sence d obstacles partie grise fonc e gauche de la fi gure 2 9 a 2 1 4 Sommaire Le tableau 2 1 r sume les diff rentes caract ristiques des robots pr sent s Les m thodes de contr le t l op ration ou navigation autonome sont les points principaux consid r s Ces 4www irobot com images consumer cs Roomba owners manual pdf 2 1 ROBOTS EXISTANTS POUR LE SOUTIEN DE PERSONNES A DOMICILE 11 informations sont utiles pour mettre en vidence le niveau technologique des plate formes CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 12 jqruodsrp uou UOryeULIOJUL qN WLP p IMesIe I IMONSUO J Meyney q spuesaT OOT sinoeydni1eyuy OLE ce p X s 3noreaju aN equooy Flip H 0000 G VE LEV 1 SOSNOICIJUT ZHIN 008 IIId JHHIOM 07 89 T SIRUOS 00 0006 dN AN Gol SOSNOICIJUT ZHI OOP 9I89SX BIS OS T SIRUOS 0001 ON 8 06 007 I x x IST ZHI 008 IIId 304 0 186 007 T 098 ON OT OSE I STBUOS AN euydryudy OSE T s snoreru ere OSGrT dN og 0001 sreuo AN TEM AN dN 16 0021 4 s snoresru dN S5op3oqoq gc sinoydni1eyuy ON AN OST 027 1 X X SIVUOG ZHI 008 IIId 11304 02189 It Iose I I Ee oqosin ON AN VE OII
48. fonction des commandes provenant de l interface utilisateur GUI et de la perception du robot Six comportements servent controler les actions vitesse de d placement lin aire en mm sec et vitesse de rotation en 1 100 sec du robot via un bloc d arbitration qui les priorises Planificateur de trajet Commandes GUI Information GUI Ex cutif Activation Rest Odom trie NorthStar Laser Localisation Avoid Floor Perceptions Avoid Front Avoid Back he Commandes Arbitration moteur Teleop Goto mll Figure 5 2 Architecture d cisionnelle utilis e sur T l robot 5 1 1 Module Comportements La figure 5 3 illustre le sch ma bloc du module Comportements qui inclut les six comporte ments et leur arbitration par priorit le comportement le plus haut tant plus prioritaire que les comportements du dessous Chaque comportement peut envoyer des consignes Vitesse longitudinale Vitesse de rotation ou ne rien envoyer si aucune commande n est A g n rer Les comportements sont Rest Envoi par d faut une consigne 0 0 lorsqu il est activ Avoid Floor D tecte la pr sence du plancher Freine le robot lorsqu un trou l avant ou l arri re du robot est d tect L objectif est d viter que le robot tombe dans un trou ou dans une cage d escalier Avoid Front
49. iliser des capteurs inertiels acc l rom tre gyroscope 5 et faire l int gration des diff rentes valeurs lues pour valuer le d placement effectu Les deux techniques sont vuln rables aux erreurs de pr cision pr sentes sur chaque lecture des capteurs Ces erreurs sont cumul es dans le temps ce qui rend difficile ou m me impossible d utiliser seulement ces techniques pour d river la position du robot Les m thodes de localisation absolue utilisent l information provenant de balises ou de points de rep res ayant des coordonn es connues et fixes Il est donc possible de calculer la position partir des distances mesur es entre le robot et les balises Diff rentes m thodes peuvent tre appliqu es Balises ultrasoniques 21 3 L approche consiste utiliser des balises ultrasoniques qui p es d un syst me de communication par radio fr quences Les balises sont des positions connues et fixes tour de r le un minimum de trois metteurs ultrasoniques envoient une onde ultrasonique La synchronisation des diff rents syst mes est fait par le lien radio Le 14 CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Figure 2 10 Sch ma de fonctionnement du systeme NorthStar robot value avec l aide d un ou plusieurs r cepteurs ultrasoniques le temps de r ception du signal En utilisant la vitesse du son comme constante il est possible de d duire la distance entre le r cepteur et les so
50. illet septembre 2006 le robot fut utilis de fa on satisfaisante dans des tests exhaustifs portant sur l interface utilisateur avec plus de trente participants et sur une p riode de six semaines sans d montrer de d faillance aux niveau lectronique ou d cisionnel Parmi les limitations actuelles du prototype les deux principales portent sur l vitement d obstacle avec reprise de trajectoire et la recharge autonome Il est possible de voir la figure 5 11 que le comportement d vitement d obstacle actuel ne permet pas au robot de se rendre son objectif quand il y a un obstacle dans son chemin Le robot va rester sur place jusqu ce que l op rateur intervienne pour le d gager L utilisation de comportement d vitement d obstacle plus volu permettrait de solutionner ce probl me La recharge au tonome serait n cessaire pour permettre au robot d op rer pour de longues p riodes dans les domiciles Le bloc Survive permet d identifier le besoin de recharge partir du niveau de tension des batteries Il reste lancer la g n ration d un trajet qui a pour objectif une station de recharge dont la position est connue par le robot Un comportement guidant le 69 70 CONCLUSION robot pour le branchement la station de recharge devrait tre con u Un example a d j t mis au point au LABORIUS 17 Par contre il faudra faire des modifications au ni veau des chargeurs ainsi qu au niveau de l
51. in S Caron P Masson F Kabanza et M Lauria A brochette of socially interactive robots Proceedings American Association for Artificial Intelligence Conference pages 1733 1734 2005 17 F Michaud et E Robichaud Sharing charging stations for long term activity of autono mous robots Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 2748 2751 2002 18 M Montemerlo N Roy et S Thrun Perspectives on standardization in mobile robot programming The carnegie mellon navigation carmen toolkit Proceedings of the Conference on Intelligent Robots and Systems IROS pages 2436 2441 2003 19 I Nourbakhsh Ju Bobenage S Grange R Lutz R Meyer et A Soto An affective mobile robot educator with a full time job Artificial Intelligence 14 1 2 95 124 1999 20 M Pollack Pearl Mobile robotic assistant for the elderly AAAI Workshop on Auto mation as Eldercare 2002 21 B Nissanka Priyantha Anit Chakraborty et H Balakrishnan The cricket location support system Proceedings of the Sixth Annual ACM International Conference on Mobile Computing and Networking MOBICOM pages 32 43 2000 22 N Roy G Baltus D Fox F Gemperle J Goetz T Hirsch D Magaritis M Mon temerlo J Pineau J Schulte et S Thrun Towards personal service robots for the elderly Proceedings of the Workshop on Interactive Robotics and Entertainment WIRE 2000 23 R Siegwart et I Nourbakh
52. inaison du robot est trop importante e g passage d un seuil de porte doit aussi tre d tect afin d viter que le robot ne tombe sur le c t CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE Le chapitre 2 illustre bien la diversit des consid rations entourant la conception d une plate forme robotique mobile ainsi que de l absence de plate formes r pondant aux exigences d une application de t l pr sence dans les domiciles En effet les robots sont trop petits ou trop volumineux sans capacit s de t l pr sence ou d vitement d obstacles tels que les escaliers ou les seuils de porte et demandent des am liorations importantes pour les rendre utilisables dans les applications de t l pr sence domicile Pour confirmer cette observation des essais pr liminaires ont t r alis s l t 2004 Deux plate formes robotiques un CoWorker et un Magellan ont t utilis es dans deux domiciles diff rents 4 Les robots en question sont illustr s la figure 3 1 Le robot CoWorker est dot d une cam ra couleur plac e sur un mat mobile de capteurs infrarouges de proximit d un sonar rotatif d un lien Ethernet sans fil et d une interface de t l op ration par commande visuelle Le robot Magellan tait alors quip d une cam ra couleur d un lien Ethernet sans fil d un laser SICK PLS et d un syst me de cartographie m trique avec le navigateur CARMEN Ces essais ont confirm s le besoin
53. iode de 100 msec afin de calculer la position du robot X Y O l int rieur de la zone de d tection Jusqu a 10 zones distinctes peuvent tre d finies en placant plusieurs projecteurs pour couvrir une plus grande r gion L interface de communication entre le T l robot et le syst me NorthStar est fait via un port s rie RS 232 a 1200 baud En consid rant les d lais de transmission des messages et le temps de lecture du capteur le temps de r ponse minimal est de 400 msec De toute vidence les performances du syst me sont affect es par le type de surface telles que confirm es par la compagnie Acroname et la pr sence d objet au plafond Par exemple le laboratoire est dot d un plafond suspendu avec des lumi res tubes fluorescents et des bouches d a ration qui provoquent des diff rences au niveau de la hauteur du plafond Le ta bleau 4 7 montre les performances observ es en laboratoire avec une valeur de H 1800 mm ce qui revient dire que la distance recommand e est inf rieure 1 26 m de chaque c t du point de r f rence La distance maximale est de 2 26 m La zone de test se trouve sous une partie de plafond suspendu qui ne comporte pas de luminaire ou de bouches d a ration directement au dessus du r cepteur Les valeurs pr sent es sont la diff rence donn e entre la lecture du NorthStar et de la distance r elle qui a t mesur e manuellement entre la position du r cepteur et le point
54. ique 2 2 NAVIGATION AUTONOME 19 des l ments ajout s l environnement d op ration Le point consid rer est que les rep res doivent avoir une signature unique pour viter de les confondre entre eux Dans la figure 2 11 les points de rep res utilis s dans la repr sentation topologique sont les coins des cadres de porte Une fois positionn il est possible de planifier la trajectoire suivre en ayant une repr senta tion de l environnement Par exemple la section 4 2 explique le fonctionnement de l algo rithme utilis pour la g n ration d un trajet en fonction de la position pr sente du robot et de celle de l objectif 2 2 3 D tection et vitement d obstacles Puisque l environnement domiciliaire est dynamique il est possible qu un l ment de l en vironnement soit d plac par rapport a la carte ou qu il ne soit pas identifiable sur celle ci Dans ce cas le robot percuterait l obstacle sans le savoir Il faut donc ajouter des senseurs qui permettront au robot de d tecter et d viter les obstacles La premi re chose faire est de d terminer l tendue de la zone de d tection souhait e afin de choisir les senseurs utiliser Comme mis en vidence au tableau 2 1 plusieurs types de senseurs comme un laser des sonars ou des d tecteurs de distance infrarouge sont couramment utilis s pour cette t che Le laser a l avantage d tre tr s pr cis et il couvre une
55. jectif est de permettre d optimiser les trajets Ce qui est particuli rement utile pour permettre au robot de passer dans les passages troits La position de ces points est donn e dans le fichier de d finition de l environnement d op ration Il faut remarquer que dans les deux tests le robot est en mesure de d finir un trajet en fonction de la position de d part et de le suivre Dans le deuxi me cas le robot est bloqu avant de pouvoir terminer le dernier segment La raison est simple la trajectoire en ligne droite fait passer le robot trop pr s d un obstacle et il se trouve bloqu Les r sulats des tests permettent de dire que le robot est en mesure de d finir un trajet en fonction de la position de d part et de le suivre Dans l un de tests le robot est bloqu avant de pouvoir terminer le dernier segment La raison est simple la trajectoire en ligne droite fait passer le robot trop pr s d un obstacle et il se trouve bloqu par le comportement Avoid 5 3 PERFORMANCES DU SYSTEME 67 4000 1500 mul UE 9 b 4000 2250 a Trajet complet b Trajet ot le robot est bloqu Figure 5 11 Exemples de suivi de trajectoires en mode autonome Front Ce comportement est reli au fait que le comportement ralentit le robot en fonction de la proximit de l obstacle et qu il ne cherche pas donner une commande moteur qui permettrait au robot de passer c t de l obstacle Il faut rappeler que le
56. lisse C est l estimation d orientation qui est la plus affect e Une situation similaire survient lorsqu il y a une forme qui est impossible a identifier e g pr sence d une foule autour du robot La m thode utilis e pour pallier au probleme est d ajouter des l ments fixes dans l environnement pour augmenter la quantit de points de rep res et de limiter la pr sence d individus dans l aire d exp rimentation 4 1 2 Odom trie L odom trie consiste d river la position X Y et orientation partir des lectures des encodeurs de roues La lecture d un encodeur de roue H s exprime en nombre de pulses par secondes Consid rant qu il y a P pulses 36000 sur T l robot par tour de roue et qu une 4 1 LOCALISATION 39 roue de propulsion du robot a un rayon R 79 5 mm sur T l robot la vitesse d une roue i gauche ou droite est donn e par la relation 4 1 V E 2zR P 4 1 La vitesse V r sultante du robot s value en effectuant une moyenne des vitesses des deux roues selon la relation 4 2 V Varoite WVeaauche 2 27R P Edroite Joauehe 2 4 2 La vitesse angulaire du robot en radian sec s value a partir du diff rentiel de vitesse Ocycle entre les deux roues et la distance T 480 mm sur T l robot entre les deux roues de pro pulsion selon la formule 4 3 aye Varoite R Vashe T 4 3 Les variations de position AX AY et d orientation
57. mage L image recueillie est faite sur le sens de la hauteur Cette caract ristique est diff rente des m thodes par laser o par sonars qui elles donnent une repr sentation sur un plan parall le au plancher Il est donc possible d ajouter des l ments sur les murs pour ajouter des points de rep res dans l environnement Un exemple est le robot Sagef de l Universit Carnegie Mellon 19 Des marqueurs de couleurs sont dispos s dans l en vironnement des positions connues par le robot Ils sont positionn s pr s du plafond dans le but qu ils soient facilement d tectables Il existe deux types de marqueurs Les marqueurs 2D sont tout simplement des carr s de couleur rose dispos s aux extr mit s des corridors Le robot peut valuer son orientation par rapport un marqueur selon la position de ce point de rep re dans l image vid o Pour les marqueurs 3D un carr noir est plac l avant du rose partir de la diff rence de grosseur des deux carr s il est possible d valuer la distance du robot par rapport au marqueur en plus d avoir l estimation au niveau de l orientation M thodes de localisation dites mixte Ces m thodes consistent combiner la localisation relative et absolue Par d faut la localisation est faite de fa on relative jusqu ce qu une balise ou un point de rep re ayant une position connue soit identifi e La position du Swww cs cmu edu illah SAGE 16 CHAPITRE 2 ROBOTS E
58. ment ces erreurs sont beaucoup plus petites que celles de l odom trie mettant en vidence le gain de ne pas seulement se fier l odom trie pour la localisation Noter que l odom trie est fusionn e avec les donn es laser dans CARMEN pour la localisation Les erreurs moyennes fournies par CARMEN nous permettent de localiser de mani re ad quate le robot dans l environnement Il est galement possible de constater que les erreurs d odom trie sont tr s variables selon le cas Les mesures pr sent es au tableau 4 4 confirment une am lioration en Y et en angle mais pas en X Ceci est normal car la r duction de la surface de contact peut occasionner une moins bonne friction dans les d placements selon l axe longitudinal de la roue TABLEAU 4 3 Erreurs 250 mm sec et 28 sec sans lastique Test Erreur odom trique Erreur de CARMEN X mm Y mm S X mm Y mm 1 52 13 2 095 6 12 1 095 2 78 5 1 4 088 6 5 11 1 088 3 15 5 74 2 192 23 5 22 0 192 4 141 35 2 200 5 9 0 800 5 49 5 5 3 647 6 12 5 0 647 6 79 5 12 3 877 15 5 5 0 877 7 76 21 3 989 5 11 0 989 8 83 7 5 1 855 12 15 5 0 145 9 93 25 2 647 13 15 0 647 10 112 5 28 5 2 640 16 5 24 5 0 640 Moyenne 78 22 25 2 923 10 9 13 75 0 712 40 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES TABLEAU 4 4 Erreurs 250 mm sec et 28 sec avec lastique
59. mes g om triques simples comme des points ou des droites 10 15 La figure 2 13 est un exemple o les obstacles sont d finis comme tant des lignes droites Le localisateur prend en compte les lectures des capteurs de proximit et il essaie de retirer les formes g om triques qui sont pr sentes autour du robot La position des diff rentes formes et la position de celles ci les unes par rapport aux autres sont les crit res pour identifier la position du robot Le probleme majeur est qu il est parfois difficile ou m me impossible de cr er une carte pr cise die la pr sence de formes trop complexes mod liser De plus les diff rents obstacles sont d finis par leur forme ainsi que par leur position dans l environnement coordonn es absolues 3 Topologique Des points de rep res sont utilis s ici comme r f rences pour identifier des lieux dans l environnement et un graphe d adjacence vient repr senter les acc s possibles ces lieux 10 25 24 Il en r sulte une repr sentation compacte mais limit e de l environnement Les points de rep res peuvent tre des l ments d j pr sents ou 18 CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Figure 2 12 Exemple d une carte CARMEN 0 3 3 3 D finition murs A 0 0 a 1 0 B 0 0 0 3 C 0 3 3 3 D 3 0 3 3 E 2 0 3 0 Valeurs en m tres 1 0 2 0 3 0 Figure 2 13 Cartographie g om tr
60. nces optimales Un ratio de 2 4 donne la distance de d tection maximale Les sp cifications techniques sont donn es au tableau 4 6 La distance recommand e est celle qui r pond au ratio de 1 4 et la distance maximale r pond au ratio de 2 4 De plus une inclinaison du d tecteur peut occasionner des variations de 150 mm et de 2 par degr d inclinaison Des tests sommaires dans les domiciles ont permis de confirmer ces 4 1 LOCALISATION TABLEAU 4 5 Erreurs 100 mm sec et 12 sec avec lastique Test Erreur odom trique Erreur de CARMEN X mm Y mm i X mm Y mm S 1 55 5 35 4 543 12 5 11 0 543 2 64 133 7 132 5 10 0 868 3 53 5 97 7 977 6 5 7 0 977 4 47 5 82 4 891 8 5 7 0 109 5 57 5 45 3 977 11 5 9 0 977 6 54 5 55 4 109 18 5 15 0 109 7 44 56 3 783 12 9 0 217 8 59 5 57 6 543 7 5 12 0 543 9 71 72 5 217 7 7 0 217 10 68 5 64 5 977 10 5 8 0 977 Moyenne 57 55 69 6 5 415 9 95 9 5 0 553 Detector 7 Blinking Detector Has a Square FOV Figure 4 1 Zone couverte par le NorthStar le graphique est invers verticalement Al 42 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES TABLEAU 4 6 Sp cifications techniques du systeme NorthStar M trique Distance recommand e Distance maximale Position cm 1 4 10 40 Angle 1 2 2 8 valeurs Le systeme demande une p r
61. niveau de la tension des batteries de la puissance instantan e et du courant ne sont pas disponibles La figure 3 4 montre le branchement des diff rents systemes pr sents sur le T l robot Les l ments suivants taient actifs sur le robot lors de la premi re phase d exp rimentation 1 Module AZIMUT 2 2 Senseurs de proximit 3 2 INTERFACE AVEC LES CAPTEURS 27 Laser NorthStar R gulateur 12V 12V Batt 1 Batt 2 Base de 24V Vid ophone Isi 24V externe booe S CareStation Sonars SRF10 4 nterface R gulateur 5V V capteurs V Interface IR 8 avant Interface 5V capteurs Interface IR 8 arri re Interface encodeurs de suspension Figure 3 4 Alimentation des diff rents modules ajout s sur la base de propulsion 3 Localisateur infrarouge NorthStar 4 Capteur laser SICK LMS200 et l autonomie observ e fut de trois heures Ce qui prouve que l autonomie recherch e est atteinte pour des conditions d op ration normales 3 2 Interface avec les capteurs La plate forme T l robot doit tre munie de capteurs permettant la localisation du robot et la d tection des obstacles La figure 3 5 illustre les interfaces entre les diff rents syst mes du T l robot avec leurs liens de communication Deux cartes d interfaces pour les capteurs de proximit ont t d velopp es pour diviser le temps d acquisition et de traitement par un facteur deux Les cartes d interfaces d velopp
62. odule de traitement est constitu d un ordinateur Pentium M 1 7 Ghz avec 512 Moctets de RAM un disque dur de 60 Goctets et il fonctionne sous le syst me d exploitation Linux Cet ordinateur sert la mise en uvre du logiciel de contr le de la plate forme et s interface avec les diff rents sous syst mes du robot e g distribution de l nergie senseurs actionneurs via des contr leurs d di s Ces contr leurs sont des microcontr leurs PIC18F de Microchip et interagissent entre eux par un bus de communication CAN Pour la plate forme T l robot deux contr leurs pour les roues de propulsion d j pr sents sur AZIMUT 2 sont utilis s Une roue de propulsion est constitu e d un moteur install m me la roue Les encodeurs sont positionn s directement sur l arbre d entra nement du moteur l interne du moteur roue se trouve un syst me d engrenage qui divise par quatre la vitesse de rotation de la roue La pr cision des encodeurs est de 36000 pulses par tour Avec un diam tre de roue de 161 mm le r solution en terme de distance est de 0 014 mm Une commande de vitesse envoy e au contr leur d un moteur de propulsion est exprim e 24 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE en termes de pulses seconde un pulse tant une unit pour l encodeur de roue rattach e au moteur en question En d placement longitudinal l intervalle de vitesse disponible pour la plate forme T l robot est de 47 mm sec 1
63. on d une carte de l environnement 25 Les approches utilisables actuellement cherchent plut t exploiter des cartes pr tablies Pour tre en mesure de localiser le robot sur une carte il faut choisir entre diff rentes approches illustr es la figure 2 11 Les possibilit s sont 1 M trique Cette m thode consiste diviser l environnement en plusieurs cellules de dimensions identiques 10 25 Une valeur est attribu e chaque case en fonction de la probabilit qu un obstacle emp che le robot de se d placer au centre de celle ci Dans le logiciel de navigation CARMEN 18 il est possible de visualiser ces valeurs avec des teintes de gris blanc aucun obstacle noir obstacle pr sent La figure 2 12 illustre un exemple d une carte CARMEN Les zones gris es sur le c t droit de la repr sentation sont des zones d incertitudes qui ont t identifi es lors de la g n ration 2 2 NAVIGATION AUTONOME 17 d FEGK uuuaaaawauauuuuuasas ia s sl uzIA NS S ST v m Environnement de base Mod le m trique Zone 3 Zone 1 Zone 2 Zone 4 Mod le topologique Mod le g om trique divis en zones Figure 2 11 Diff rences au niveau des cartes de la carte Les murs sont repr sent s par des lignes noires 2 G om trique L environnement est alors repr sent par une s rie de for
64. ond l initialisation du point de r f rence pour l odom trie De le point de d part du robot correspond au point 0 0 0 Il faut donc ajouter les points de r f rence Xo Yo de la carte avec CARMEN celles de l odom trie pour positionner le robot par rapport avec cette carte Une compensation par rapport a Oo n est pas utilis e car la position de d part du robot pour les tests ainsi que celle utilis e pour la g n ration de la carte tait la m me Ce qui fait que l orientation tait contr l e en tout temps ce qui enl ve le besoin de compenser ce param tre 4 Combinaison de m thodes Il serait possible de combiner l odom trie NorthStar et CARMEN en impl mentant les algorithmes appropri s dans ce module aafdPathPlanner c est dans ce bloc que la planification de trajet s effectue en prenant 5 2 ARCHITECTURE LOGICIELLE 30400 c WEB GUI TRGUIManagerAA c 30403 10100 10101 30000 c 30401 a clcic 30402 30141 Localisation Reset 30404 Data2DPoint 30405 TE aafdLocalize 10102 10103 30904 Localisation CARMEN DataOdometry RawData Mailbox 13128 13129 JoystickCommand Mailbox 13100 13101 Di aj Teleop Mailbox 13102 13103 a Delta Mailbox 13104 13105 a Target Mailbox 13106 13107 LocalisationReset Mailbox 13136 13137 Di LocalizePathPlan Mailbox 13130 13131 30200 _ DataOdometry Robotinterface
65. one de d tection annonc e dans les sp cifications de 30 se trouve a une distance d environ 1 m Le probleme est qu courte distance moins de 1 m la zone de d tection du sonar peut s tendre jusqu 60 Les zones de d tection des sonars se chevauchent ce qui fait que les lectures peuvent tre influenc es par le crosstalk si plusieurs sonars sont activ s simultan ment La solution 30 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE Figure 3 7 R ponse du sonar SRF 10 a ce probleme est d activer les sonars de mani re s quentielle A longue port e la distance maximale de d tection est de 11 m En consid rant que la vitesse du son est de 343 m s il faut un d lai de 65 msec pour que l cho revienne au capteur Si l on consid re que le T l robot a quatre sonars on obtiendrait un ensemble de valeurs rafraichies chaque 260 ms soit 3 85 Hz L objectif est d avoir un taux de rafra chissement plus rapide de l ordre de 10 Hz L ap proche utilis e consiste diminuer la distance maximale de d tection des sonars Dans le cas du projet cette distance fut fix e 1 m La p riode alors requise pour une lecture est de 5 8 ms et il est ainsi possible d atteindre un rafra chissement de 10 Hz En consid rant la valeur retourn e par un sonar et la largeur de son c ne de d tection il est impossible de conna tre pr cis ment la position de l obstacle par rapport au robot
66. onfiance qu il mia demontr e tout au long du projet Ce support fut tr s appr ci Je tiens galement remercier mon co directeur Michel Lauria ainsi que mes confr res qui ont travaill s sur le projet T l Robot Daniel Labont et Marc Andr Roux pour leur assistance et leur soutien Je veux aussi remercier les autres membres du LABORIUS qui ont t impliqu s de pr s ou de loin dans ce projet Le support de Dominic L tourneau Carle C t Cl ment Raivesky et des membres de RoboMotio inc ont t particuli rement importants pour la r ussite de ce projet Un remerciement sp cial doit tre fait a Eric Marquis et Marise Viens qui ont toujours t pr sents pour m pauler et me donner de judicieux conseils Merci mes parents qui mont toujours soutenus et encourag s tout au long de mes tudes et ce m me dans les moments difficiles La confiance qu ils m ont donn e a t une source de motivation importante pour ma r ussite Enfin un merci tout sp cial 4 ma muse et copine Caroline qui en plus de son soutien et sa compr hension m a permis de trouver l inspiration et la motivation n cessaire pour r aliser ce projet Cet ouvrage est d di a ces personnes ill iv REMERCIEMENTS TABLE DES MATIERES 1 INTRODUCTION 1 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 3 2 1 Robots existants pour le soutien de personnes domicile 3 2 1 1 Robots utilis s avec des personnes g es
67. onnement d op ration r el Le trajet consiste atteindre trois points diff rents sur des distances de 2 m 1 5 m et 2 5 m La figure 5 9 montre la position du robot X Y par rapport au trajet optimal entre diff rents points Il est important de mentionner que les trois points sont compris dans une m me cellule le trajet optimal entre les diff rents points est tout simplement un d placement en ligne droite Les vitesses maximales utilis es sont de 250 mm sec et 28 sec Le localisateur CARMEN est utilis comme source de postionnement par le robot Il est possible d observer que le robot ne se rend pas exactement aux diff rents sommets du triangle Ceci est d la tol rance qui est utilis e par le comportement pour consid rer le point comme tant atteint qui est de 200 mm La distance moyenne entre la position r elle du robot sur le sol et celle de l objectif est de 189 mm apr s dix essais Ce qui confirme que le comportement fonctionne de fa on ad quate 5 3 3 Test de validation du suivi de trajet autonome La derni re s rie de tests sert valider le fonctionnement du syst me de navigation autonome de fa on globale La capacit du T l robot suivre un trajet dans un environnement r el a t d montr Il faut maintenant faire la preuve que le robot est en mesure de g n rer et de suivre un trajet qui passe par diff rentes cellules Des tests ont t faits en utilisant l environnement de simulation Stage
68. ots Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 1820 1825 2004 Dudek et M Jenkin Computational Principles of Mobile Robotics Cambridge Uni versity Press 2000 Hada et S Yuta The second stage experiments on long term activity of autonomous mobile robots repetitive navigation for one week in a corridor Journal of Robotics and Mechatronics 14 4 375 381 2002 Hans B Graf et R Schraft Robotics home assistant care o bot Past present future Proceedings IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication ROMAN O2 pages 380 385 2002 Hahnel W Burgard D Fox K Fishkin et M Philipose Mapping and localization with RFID technology Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 1015 1020 April 2004 Kosecka et F Li Vision based topological markov localization Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics amp Automation pages 1481 1486 2004 71 72 REFERENCES 15 P MacKenzie et G Dudek Precise positionning using model based maps Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 1615 1621 1994 16 F Michaud D L tourneau D Lepage Y Morin F Gagnon P Gigu re Beau dry Y Brosseau C Cot A Duquette J F Laplante M A Legault P Moisan A Ponchon C Ra evsky M A Roux T Salter J M Val
69. ouve au sommet de la hi rarchie Il sert g n rer des trajectoires en fonction des objectifs du robot Le module Ex cutif permet de faire le suivi de l ex cution d une mission du robot comme la rencontre des diff rents points d un trajet suivre Le module de contr le temps r el est compos des Comportements activ s et configur s par le module Ex cutif et de contr leurs PID pour les commandes aux actionneurs du robot Sur T l robot le Planificateur de trajet l Ex cutif et les Comportements sont impl ment s sur l ordinateur Pentium M 1 7 GHz tandis que les contr leurs sont impl ment s m me les microcontr leurs PIC18F d crit au chapitre 3 Les comportements acheminent une fr quence de 10 Hz les consignes aux contr leurs Planificateur de trajet Contr le temps r el Comportements Contr leurs PID des moteurs Interface mat rielle Figure 5 1 Exemple d architecture appliqu un probl me de navigation autonome La figure 5 2 illustre plus sp cifiquement l architecture hi rarchique hybride mise en uvre pour T l robot Le bloc Localisation sert localiser le robot partir des capteurs d odom trie du NorthStar ou du laser Cette information est requise pour la planification et le suivi 5 1 ARCHITECTURE DECISIONNELLE 51 par le Planificateur de trajet et l ex cution par le comportement Goto de trajectoires Le module Ex cutif vient activer les comportements en
70. que les deux valeurs soient r f renc es un m me syst me de coordonn es Ce bloc retourne une liste de points X Y franchir RobotInterfaceAA le m canisme de ce bloc est d termin en fonction de l utilisation du syst me en simulation ou avec le robot r el En effet pour faciliter les d veloppements un lien avec le logiciel Stage 26 est possible via MARIE Pour le robot r el les commandes sont achemin es aux microcontr leurs PIC18F via le bus CAN du robot Afin d tablir la correspondance entre l architecture d cisionnelle et la figure 5 6 le ta bleau 5 1 pr sente la correspondance entre les modules d cisionnels et les blocs de traitement Enfin le flux d information Localisation CARMEN est d riv de la cha ne de traitement pr sent e la figure 5 7 Dans cette cha ne le programme Player 26 offre une interface qui permet de communiquer avec le laser Les 180 valeurs une par degr sont envoy es au aaCARMEN Localizer le localisateur de CARMEN TABLEAU 5 1 Correspondance entre l architecture d cisionnelle et l architecture logicielle Modules d cisionnels figure 5 2 Blocs de traitement logiciel figure 5 6 Localisation aafdLocalize Planificateur de trajet TRPathPlanner Perceptions RobotInterface Commandes moteur RobotInterface Ex cutif aafdTRDecisionNetwork Comportements aafdTRDecisionNetwork Arbitration aafdTRDecisionNetwork 5 3
71. qui a t pr alablement cartographi Cette m thode est connue sous le nom de Markov localization Le localisateur estime la probabilit que le robot se trouve n importe quelles position et orientation dans l environnement Au d marrage de l application il faut que l utilisateur donne la position et l orientation approximative du ro bot partir des informations retourn es par le laser et des encodeurs de roues l application est en mesure de faire la mise jour de la position du robot de mani re autonome Il aussi est possible l utilisateur de repositionner le robot en tout temps si le syst me est impr cis Dans le cas de notre impl mentation CARMEN utilise les valeurs retourn es par le cap teur laser de proximit SICK LMS200 et les valeurs fournies par les encodeurs de roues du T l Robot Pour la phase de tests la carte utilis e couvre l int rieur du LABORIUS ainsi que les corridors qui se trouvent proximit La repr sentation de l environnement a t g n r e partir des donn es du laser et de l odom trie pendant que le robot se d place dans la pi ce Des tests de pr cision ont t faits dans le corridor devant le LABORIUS Apr s un d place ment lin aire sur 5 m l estimation en X n avait que 15 cm d erreur et l erreur d orientation tait de moins de 5 Par contre CARMEN a de la difficult positionner correctement le robot devant une surface uniforme comme un mur
72. r la base de propulsion 27 Liens de communication entre les diff rents p riph riques 28 Position des capteurs infrarouges sur le robot 29 R ponse du sonar SRF10 oe a dus 22 OG eS a Ne NRA Re 30 Zones de d tection offertes par les sonars 31 Zone couverte par le NorthStar le graphique est invers verticalement 41 vil vill LISTE DES FIGURES Figure 42 Division en cellule de l environnement d exp rimentation 45 Figure 4 3 Arbre d adjacence pour l environnement d exp rimentation 46 Figure 5 1 Exemple d architecture appliqu un probl me de navigation autonome 50 Figure 5 2 Architecture d cisionnelle utilis e sur T l robot 51 Figure 5 3 Impl mentation du module Comportements 53 Figure 5 4 Vitesse maximale permise en fonction de la proximit des obstacles 54 Figure 5 5 Sch ma bloc du module ex cutif 55 Figure 5 6 Impl mentation sous MARIE de l architecture d cisionnelle de T l robot 57 Figure 5 7 Impl mentation du laser et CARMEN 58 Figure 5 8 D placements de la plate forme sur la planche 63 Figure 5 9 Position du T l robot par rapport la trajectoire optimale 64 Figure 5 10 Environnement de test simplifi 65 Figure 5 11 Exemples de suivi de trajectoires en mode autonome 67 LISTE DES TABLEAUX Tableau 2
73. s avant et arri re La vitesse initiale du robot est de 250 mm sec soit la vitesse maximale permise pour le T l robot La distance moyenne d arr t sur dix essais entre le centre des roues de propulsion et le bord de la planche est de 300 mm La distance de r f rence utilis e est de 200 mm pour consid rer que le robot se d place sur une surface s curitaire Le comportement bloque la vitesse 0 lorsque la distance devient trop grande c est dire en pr sence d un trou Enfin le test de fonctionnement pour le comportement Goto consiste mesurer la distance laquelle le robot arr te par rapport la position du point atteindre Le tableau 5 7 donne la position estim e par CARMEN o le robot s arr te en fonction du but atteindre Diff rentes vitesses de d placement et de surfaces de roulement sur les roues du T l robot ont t test es Les distances donn es sont une moyenne sur dix essais Il est possible de confirmer que le comportement Goto fonctionne selon les sp cifications TABLEAU 5 7 Distance entre le point d arr t du robot et l objectif Vitesse lin aire Vitesse de rotation Pr sence d lastiques Distance mm 250 28 non 188 100 12 non 194 250 28 oui 188 Le dernier test consiste analyser la trajectoire qui est suivie par le robot par rapport 64 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION au trajet optimal dans un envir
74. s de dix essais en fonction de deux vitesses initiales distinctes Les moyennes observ es sont de 371 msec pour une vitesse initiale de 100 mm sec et de 515 msec une vitesse initiale de de 250 mm sec Ceci correspond des distances maximales th oriques d arr t de 37 1 mm et 128 75 mm respectivement En consid rant le pire cas 737 msec la distance maximale th orique franchie est de 184 mm Il est noter que les cartes de contr le des moteurs n utilisent pas de pente dans l asservissement des vitesses Ce mode de fonctionnement est utilis par le robot lors de situations normales de fonctionnement La coupure est faite de fa on brusque c est pour cette raison que les temps de r action sont aussi rapides TABLEAU 5 5 Temps de r action pour l arr t complet partir de deux vitesses initiales valeurs en msec D lai vitesse initiale 100mm sec D lai vitesse initiale 250mm sec 326 536 281 737 290 592 291 484 439 434 485 338 337 341 490 598 287 544 484 541 Pour les tests de validation des comportements d vitement d obstacles la m thode utilis e est de d placer le robot en ligne droite pour qu il rencontre un obstacle qui se trouve direc tement devant lui La distance mesur e est celle entre le ch ssis du robot et l obstacle Dans les trois cas Avoid Floor Avoid Front Avoid Back la technique utilis e pour arr ter le robot est de d finir une
75. s en fonction des vitesses maximales sp cifi es par le bloc Ex cutif Il y a deux ensembles de vitesse maximales permises lin aire rotation Le premier ensemble est en mode de fonctionne ment normal 250 mm sec 28 sec et l autre en mode PUSH 100 mm sec 12 sec Dans le deuxi me cas les vitesses permises sont plus faibles car le robot se d place sans avoir de comportement d vitement d obstacle Goto Calcule la trajectoire suivre pour permettre au robot d atteindre un point pr cis de l environnement en fonction de la position actuelle du robot dans l environnement La premi re tape est d orienter le robot en direction de l objectif Ensuite le robot se d place lin airement jusqu une certaine distance du point atteindre avec une tol rance de 200 mm Ceci correspond environ 35 par rapport la superficie du T l robot et est consid r e comme acceptable pour l application La derni re tape consiste orienter le robot selon la valeur sp cifi e dans la d finition du point atteindre Cette tape est optionnelle et elle est configurable m me le comportement ou en sp cifiant un angle gal ou sup rieur 360 Les vitesses de d placement maximales sont les m mes que pour le comportement Teleop Notons que pour l instant les comportements Avoid Front et Avoid Back ne font qu arr ter le robot Ce choix fut fait pour laisser un plus grand contr le l op
76. s par d faut L activation du mode Push sur l interface utilisateur d sactive le compor tement d vitement d obstacles avant Avoid Front tout en limitant les vitesses maximales de d placement permises 5 2 Architecture logicielle La mise en uvre de l architecture d cisionnelle est effectu e avec FlowDesigner 9 et MA RIE 8 FlowDesigner est un environnement de programmation graphique avec des outils de visualisation et de d verminage facilitant la programmation robotique MARIE facilite la r utilisation de modules logiciels entre les applications robotiques Cet outil offre des mo dalit s de communication et d interfaces standardis es entre des applications logicielles Des composants logiciels servent pour le transfert des donn es entre les modules logiciels Les Splitter permettent d envoyer une donn e sur diff rents ports de communication Les Mail box permettent de m moriser une valeur d entr e et les autres composants MARIE peuvent r cup rer la donn e par une requ te la Mailbox Chaque lien de communication utilise des num ros de port TCP diff rents pour permettre d isoler les transferts d information 56 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION La figure 5 6 illustre la mise en uvre de l architecture d cisionnelle sous MARIE Les num ros de ports TCP utilis s sont identifi s m me les liens avec a pour signifier le port accepteur de connection et c pour le connec
77. sant ainsi qu un aidant naturel Le patient est une personne g e n cessitant la pr sence de ces diff rentes personnes via le robot L envergure d un tel projet est importante car il aborde plusieurs aspects tels que la concep tion m canique le m canisme de locomotion l lectronique la navigation autonome la prise de d cision la telecommunication l interface op rateur et l valuation int gr e du syst me dans son ensemble L objectif principal du pr sent travail est de r aliser qu une seule partie de ces points soit la conception lectronique et informatique de la plate forme robotique Plus sp cifiquement le robot doit pouvoir naviguer de fa on autonome et selon les instruc tions d un op rateur Pour y arriver le robot doit tre en mesure d viter les obstacles de toutes sortes e g escaliers occupants table chaises fauteuil animaux chaussures qui sont pr sents dans l environnement et ce de jour autant que de nuit Le robot doit aussi tre en mesure de se positionner des endroits pr cis dans le domicile e g pi ce station de recharge car aucune assistance de la personne g e est consid r e pour le bon fonctionne ment du robot Il doit enfin poss der les fonctionnalit s audio et vid o pour permettre un 2 CHAPITRE 1 INTRODUCTION op rateur distant d interagir avec le patient via la plate forme robotique Le d fi principal de ce projet est donc d int grer diff
78. sert caract riser l erreur sur l orientation du robot une vitesse de rotation de 12 sec et de mesurer la diff rence entre l orientation initiale et l orientation finale Cette vitesse est la valeur minimale qui permet au robot Pioneer 2 de tourner de mani re stable tout au long de sa r volution Le tableau 4 2 pr sente les r sultats observ s avec deux mesures obtenues par le robot Pioneer 2 La mesure P2OS est celle retourn e directement par le microcontr leur du robot Pioneer 2 tandis que la mesure corrig e est d riv e des vitesses des roues fournies par le P2OS comme d crit par les relations 4 2 4 6 avec T 340 mm pour le robot Pioneer 2 Les param tres utilis s pour le T l robot sont T 490 mm et le rayon de la roue R 79 5 mm L erreur odom trique de dix essais sur l orientation du T l robot est encore une fois bien inf rieure la meilleure des mesures obtenues avec le Pioneer 2 TABLEAU 4 2 Erreur sur l estimation odom trique apr s une r volution Test P2 P20S P2 corrig T l robot 1 24 14 5 55 0 00 2 21 6 6 58 23 3 18 95 11 3 45 4 22 68 4 13 3 62 5 22 23 5 94 23 6 15 9 71 1 3 7 19 5 1 5 3 25 8 30 3 8 3 2 5 9 18 3 9 8 28 10 20 9 1 9 Moyenne 5 033 1 914 0 651 cart 3 951 2 815 1 0898 Le troisi me test consiste ex cuter une trajectoire pr cise et mesurer les erreurs caus es par
79. sh Introduction to Autonomous Mobile Robots The MIT Press 2004 24 R Sim et G Dudek Mobile robot localization from learned landmark Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS 1998 25 S Thrun Learning metric topological maps for indoor mobile robot and navigation Artificial Intelligence 99 1 21 71 1998 26 R T Vaughan B P Gerkey et A Howard On device abstraction for portable reusable robot code Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 2421 2427 2003
80. ssais a t effectu e une vitesse de 100 mm sec et la distance moyenne d arr t est de 100 mm Les param tres utilis s pour la zone de ralentissement taient de 200 mm et 100 mm La sp cification est donc atteinte Il est noter que si la vitesse maximale permise est augment e il faut augmenter la limite ext rieure d finissant la zone de proximit voir figure 5 6 Dans le cas du comportement Avoid Floor c est galement les capteurs infrarouges qui sont utilis s pour mesurer la distance entre le robot et le sol Les tests de fonctionnement ont t faits en d pla ant le robot sur une planche de bois qui a une paisseur de 12 7 mm qui est plac e sur le sol La figure 5 8 montre les deux types de d placements qui ont t test s Le premier test consite d placer le robot dans toute les directions et de v rifier que le robot ne descends pas de la planche Le deuxi me est de v rifier que les roues de propulsion ne tombent pas dans un trou suite une rotation Dans les deux cas les tests ont t concluants suite des d placements qui ont t faits par commandes de t l op ration directes joystick Une 5 3 PERFORMANCES DU SYSTEME 63 a D placements en arc b D placements en rotation Figure 5 8 D placements de la plate forme sur la planche analyse de distance a t faite en consid rant des d placements en ligne droite vers le bout de la planche mouvement
81. t ristiques de fonctionnement de ce type de robot 1 Roomba Ce robot aspirateur pour les domiciles illustr la figure 2 9 a couvre de mani re autonome une surface qui peut tre de dimension variable Il est aussi pos 10 CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Cliff Sensor Contact Openings _ Points for Home Base Edge Cleaning Side Brush Replaceable Caster Wheel Battery Discovery Scheduler only Vacuum Dirt Detect Inlet Sensor Figure 2 9 Robot Roomba images tir es du manuel d utilisation du robot sible de le commander l aide d une t l commande Les nouvelles versions du robot permettent de programmer l avance le d marrage de la t che de nettoyage L alimen tation du robot est bas e sur une batterie NiMH de 12 V ce qui donne une autonomie de 2 heures en mode de fonctionnement normal Roomba est en mesure de se recharger de mani re autonome en autant que sa station de recharge se retrouve dans les limites de la surface de travail Ces capacit s de navigation autonomes sont limit es se pro mener de mani re al atoire l int rieur de la surface de travail Il mesure 350 mm de diam tre 100 mm de haut et il a un poids de 3 kg Une caract ristique int ressante de ce syst me est qu il utilise des capteurs infrarouges pour d tecter la pr sence d un escalier La figure 2 9 b montre la position des diff rents capteurs Ceux ci pointent directement vers le sol
82. t est que le capteur laser utilis pr sentement avec CARMEN SICK LMS200 est co teux lachat et en consom mation nerg tique Une alternative tudier est l utilisation du capteur laser URG04 avec 48 CHAPITRE 4 LOCALISATION PLANIFICATION ET SUIVI DE TRAJECTOIRES CARMEN Ce capteur a une faible consommation 2 5 W et un co t a l achat d environ 1500 US Les nouvelle versions du logiciel CARMEN sont galement envisager dans le but d am liorer les performances actuelles partir de 0 6 beta disponible depuis juin 2006 D autres alternatives comme l utilisation du vVSLAM devront tre analys es car ceci pourrait tre utilis pour compl menter CARMEN La fusion de diff rentes sources de localisation pourra alors tre envisag e afin d avoir un syst me flexible et fonctionnel dans diff rents types d environnement CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION T l robot se veut tre une plate forme robotique de t l op ration Ind pendamment de son interface utilisateur la plate forme doit pouvoir recevoir des commandes d un ordinateur distant et lui retourner des informations e g flux vid o et audio donn es des capteurs Ces changes s effectuent par communication TCP d Internet suivant un protocole propre au T l robot et pr sent l annexe A Cependant T l robot doit aussi faire preuve d auto nomie d cisionnelle pour jouer de fa on appropri e son r l
83. te une demande de trajet autonome Temps de r action pour l arr t complet partir de deux vitesses ini tiales valeurs en msec See oe ananas ir ese ENE Ge RUN eG Comparaison des distances d arr t pour le comportement Avoid Front 12 24 37 38 39 40 41 42 42 45 44 47 58 59 60 60 61 62 LISTE DES TABLEAUX Tableau 5 7 Distance entre le point d arr t du robot et Vobjectif 63 Tableau 5 8 Fichier de d finition utilis pour la preuve de fonctionnement 66 CHAPITRE 1 INTRODUCTION Le ph nom ne du vieillissement de la population est pr sent dans la plupart des pays occi dentaux Ce ph nom ne am ne une charge suppl mentaire au niveau des diff rents r seaux de sant Une solution envisag e pour diminuer cette surcharge est de permettre aux per sonnes g es de rester le plus longtemps possible dans leur domicile Il faut donc d velopper des m thodes qui permettent de les assister dans ce type de milieu Le but g n ral du projet est de concevoir le prototype d une plate forme robotique nomm e T l robot adapt e pour op rer dans un environnement domiciliaire Cette plate forme per mettra un op rateur distant de voir d entendre et de se d placer un peu partout dans le domicile du patient C est ce que nous appelons la t l pr sence Dans le cadre de ce projet l op rateur pourra tre un clinicien un th rapeute ou tout autre expert en soins de
84. te formes robotiques de t l pr sence sont pr sent es ici 1 Secur O Bot Ce robot montr a la figure 2 6 est une variante de la plate forme Care O Bot Elle est ax e sur la t l surveillance en milieu industriel Le syst me de base mesure 400 mm x 400 mm x 375 mm et p se 30 kg Il a une autonomie de huit heures Les batteries sont de 24 V et ont une capacit de 40 Ah La recharge du robot s effectue en branchant manuellement le robot un bloc de recharge La cam ra se trouve une hauteur d environ 1 m tre Le contr leur principal PentiumlII 800MHz est embarqu sur le robot Le robot utilise un laser SICK LMS200 pour la d tection et l vitement d obstacles La communication entre les modules embarqu s est faite via un CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Figure 2 6 Secur O Bot bus CAN Ce syst me est capable de m moriser des trajets et ensuite tre en mesure de les r p ter de fa on autonome Le robot comprend aussi un syst me de t l op ration Les diff rentes commandes sont envoy es au robot en utilisant un lien Ethernet sans fil Garcia Cette plate forme montr e la figure 2 7 a t d velopp e par la compagnie Acroname La base a une dimension de 280 mm x 195 mm x 94 mm Il est possible d ajouter un m t de 406 mm contr l en rotation et en inclinaison Ce mat permet de donner une certaine flexibilit pour l utilisation d une cam ra embarqu e Le robot est
85. teur L initialisation des modules se fait en activant d abord le c t accepteur et ensuite le connecteur Les blocs de format fd identifie des blocs programm s sous FlowDesigner Les blocs utilis s sont TRGUIManagerAA ce bloc sert de lien bidirectionnel de communication entre l interface utilisateur et le robot Il est r gi selon le protocole d crit annexe A L change d in formation se fait sous format texte afin de faciliter le d verminage et les ajustements au protocole Les commandes de l utilisateur sont interpr t es seulement si le message re u est complet et valide Le crit re est qu il faut que le num ro d identification du message soit le meme au d but et a la fin de la s quence de commande aafdTRDecisionNetwork ce bloc renferme le bloc Ex cutif ainsi que les comportements pr sent s a la section 5 1 1 Les interactions entre les diff rents modules ainsi que la prio risation des sorties des comportements sont g r es dans ce bloc aafdLocalize ce bloc localise le robot dans son environnement en fonction des informations provenant de diff rents capteurs Diff rentes m thodes sont possibles 1 Odom trie uniquement voir section 4 1 2 2 NorthStar uniquement voir section 4 1 3 3 CARMEN voir section 4 1 1 Notons que le point de r f rence de la carte Xo No Go de la carte avec CARMEN est positionn A une valeur constante et diff rente de 0 0 0 position qui corresp
86. u T l robot En analysant les r sultats 1000 mm 1500 mm et 2000 mm on remarque l accumulation de l erreur en fonction de la longueur des d placements des robots Les erreur qui sont plus grandes pour la distance de 500 mm sont reli s l influence des glissements qui se produisent lors des d parts et des arr ts du robot Toutefois l erreur odom trique du T l robot est de beaucoup inf rieure celle du Pioneer2 Les valeurs sont pr sent es en car les distances r elles des diff rents tests n taient pas tout fait les m mes 15 mm De cette fa on il est possible de comparer les diff rentes valeurs ensembles Les r sultats du Pioneer 2 peuvent sembler surprenants car l erreur est sup rieure pour une distance plus faible La raison est que le robot a tendance osciller lors des d parts et des arr ts Cette influence est alors diminu e sur des distances plus longues Les distances de tests pour le Pioneer 2 ont t limit es 1000 mm car 1500 mm il tait rendu difficile d estimer pr cisement la position du robot car celui ci avait tendance tourner ses roues de propulsion tant l g rement inclin es de par l usure du syst me 37 4 1 LOCALISATION OI 00F0 9 9 0 4490 BFT O ZSE O 96 0 6EE O ZOE O 8FF O 09 0 BASSE 9661 OZ SI61 EIOG 9961 920 Z G90Z S861 OTOZ 0661 1994 OTTRAT
87. ui sont plus prioritaires et qui viennent prendre du temps de traitement au besoin Il est quand m me possible de voir qu en moyenne les performances de la m thode mixte sont sup rieures aux deux autres La diff rence entre les diff rentes m thodes serait accentu e avec un environnement plus complexe plus de cellules Dans l ensemble des cas le trajet r sultant est identique Notons que les tests ont t effectu s sur le robot Pioneer 2 qui a un ordinateur embarqu plus lent que sur le T l robot La raison est que les diff rences entre les m thodes sont alors accentu es dans cette configuration TABLEAU 4 10 Temps de recherche de trajets selon le mode en msec Essai Mixte Greedy Dijkstra 1 4 27 18 07 5 11 2 3 25 3 24 3 11 3 3 16 10 67 10 58 4 10 3 3 12 3 11 5 3 55 9 51 3 06 6 3 19 3 09 3 05 7 3 17 3 11 11 27 8 3 17 3 19 3 10 9 3 25 3 16 3 05 10 4 86 7 13 3 14 Moyenne 4 34 6 11 4 85 4 3 Discussion Pour ce qui est de la localisation il est possible de voir qu il n y a pas de syst me parfait L odom trie ne peut pas tre utilis e seule car la fiabilit de ce module d croit avec le temps Le syst me NorthStar ne peut pas tre utilis seul non plus car l influence de l environne ment e g surface du plafond rend l estimation de position inutilisable Le syst me qui donne les meilleures performances est CARMEN Un inconv nien
88. urces avec l aide d un algorithme de triangulation 2 Balises infrarouges Le systeme NorthStar de la compagnie Evolution Robotics utilise des metteurs infrarouges qui envoient des signaux vers le plafond de la piece Le r cepteur qui est positionn sur le robot value sa position en fonction de la puissance ainsi que par Vorientation des signaux re us La figure 2 10 pr sente le principe de fonctionnement du systeme et cette explication est pr sent e en d tail a la section 4 1 3 Rep rage par signature laser Un capteur laser de proximit comme le SICK LMS 200 couvre une zone de 180 avec une pr cision de 0 5 Il fonctionne sur une distance de 30 m avec une r solution de 10 mm et le taux de rafra chissement des lectures est de 75Hz Il permet d obtenir une repr sentation pr cise en 2D des l ments structurels entourant le robot Une telle information peut tre utilis e pour situer le robot par rapport une carte de l environnement localisant ainsi le robot de fa on absolue par rapport cette connaissance de l environnement Toutefois certains mat riaux comme les vitres et les miroirs peuvent engendrer certaines difficult s de perception C est aussi un capteur qui demande 17 6 W de puissance g n r e 24 Vdc Il p se 4 5 kg et co te 8400 Rep rage par signature de sonars Similaire en principe au rep rage par signature laser cette technique utilise plut t plusieurs sonars de proximit autour du
89. ure 2 3 afin de faire des visites distance dans un autre centre hospitalier Ce robot utilise un cran d ordinateur la place de sa t te pour afficher le visage de l op rateur Le lien de communication Ethernet sans fil sert l change bidirectionnel de flux au dio vid o et des commandes de navigation Le robot a une hauteur totale de 1700 mm et p se 91 kg La d tection d obstacles est faite par 24 senseurs infrarouges positionn s sur la base Le robot n a pas de comportement pour la navigation ou la recharge auto nome Wakamaru Ce robot a t d velopp par Mitsubishi avec pr cis ment comme but l interaction avec des personnes g es figure 2 4 Un lien de communication Ethernet sans fil est utilis pour t l op rer le robot Wakamaru mesure un m tre et p se 30 kg 2www Intouch Health com 3 www sdia or jp mhikobe e products etc robot html CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Figure 2 4 Wakamaru Il a une autonomie de deux heures et se dirige automatiquement vers sa station de recharge Le co t d achat de cette plate forme est de 14 250 US Ce robot est capable de se rep rer dans un domicile en analysant les images prises au plafond Il peut op rer de fa on autonome pour reproduire des trajets tablis l avance L identification et l vitement d obstacle est fait l aide de sonars et de senseurs infrarouges Plusieurs processeurs sont embarqu s sur le
90. zone importante e g 180 pour les laser SICK Les sonars ont l avantage de couvrir une zone plus large que les infrarouges qui d tectent seulement en ligne droite Il reste l utilisation d interrupteurs de contact m caniques comme dernier niveau de d tection tant donn les limitations sur chacun des capteurs e g pr cision exactitude taux de rafra chissement couverture d tection de diff rents mat riaux il s av re utile d en combiner plusieurs pour assurer une d tection plus fiable et robuste Ces limitations sont autant plus grandes dans les domiciles o les obstacles peuvent tre de diff rentes formes e g table avec pattes meubles animaux sont pr sents La figure 2 14 est un exemple qui peut se produire dans le domicile Un autre cas important consiste d tecter la pr sence d un escalier en percevant l absence de plancher voir figure 2 9 b Une solution 20 CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Signal laser Signal sonar Signal infrarouge Figure 2 14 Probl matique de la table consiste a utiliser des d tecteurs de proximit infrarouge orient s vers le plancher Une autre alternative est le concept du mur virtuel mis en place soit avec une bande r fl chissante sur le plancher 11 ou avec un metteur infrarouge Dans les deux cas une limite virtuelle est cr et le robot ne doit pas la d passer Enfin le cas o l incl
91. zone o le robot ralentit en fonction de la distance de l obstacle telle qu illustr s la figure 5 4 62 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION Dans le cas du comportement Avoid Front la limite ext rieure est plac e a 500 mm et la limite int rieure 100 mm Ces valeurs sont calcul es par rapport au ch ssis du robot Ces valeurs ont t s lectionn es suite des tests d op ration dans l environnement de test Elles sont donc qualitatives et elles devront tre chang es en fonction de l environnement d op ration Les tests ont t effectu s a trois vitesses diff rentes pour voir les limites du systeme Le tableau 5 6 montre les valeurs moyennes obtenues suite a dix essais pour chacune des vitesses Un fait a noter dans ce tableau est que les distances d arr t sont sup rieures 100 mm Ceci est reli l algorithme utilis pour le contr le de vitesse en fonction de la distance des obstacles La consigne de vitesse qui est envoy e aux contr leurs des moteurs est trop faible pour que les moteurs tournent TABLEAU 5 6 Comparaison des distances d arr t pour le comportement Avoid Front Vitesse lin aire mm sec Distance moyenne de l obstacle mm 100 140 250 110 390 110 Dans le cas du comportement Avoid Back les capteurs de proximit infrarouges orient s vers l arri re sont utilis s pour la d tection d obstacles Une s rie de dix e

Conception électronique et informatique d`un robot

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